주요 내용
- 영점 교차 계수: AC 전류는 자연적으로 영점 교차(100-120회/초)에서 아크를 소멸시키는 반면, DC 전류는 아크를 지속적으로 유지합니다.
- 설계 차이점: DC 절연기는 자기 소호 코일과 깊은 아크 슈트가 필요하므로 AC 버전보다 물리적으로 크고 비쌉니다.
- 전압 강하율: DC 애플리케이션에 AC 절연기를 사용하면 전압 용량이 크게 저하됩니다(예: 690V AC → ~220V DC).
- 안전 규칙: 화재 위험 및 접점 용접을 방지하기 위해 태양광 PV 또는 배터리 저장과 같은 DC 시스템에 AC 정격 절연기를 절대 사용하지 마십시오.
유지 보수 기술자가 절연 스위치를 엽니다. 600볼트, 32암페어. 옥상 태양광 어레이의 일상적인 잠금/표지 절차입니다.
단, 해당 스위치는 DC 정격이 아니었습니다.
하우징 내부에서 분리되는 접점 사이에 아크가 형성됩니다. 이온화된 공기를 통해 600V DC를 전도하는 밝고 지속적인 플라즈마 브리지입니다. AC 시스템에서 이 아크는 다음 전류 영점 교차에서 10밀리초 이내에 자연적으로 소멸됩니다. 그러나 DC 전류에는 영점 교차가 없습니다. 아크가 유지됩니다. 접점이 마모되기 시작합니다. 온도가 상승합니다. 몇 초 안에 안전한 분리를 제공해야 하는 절연 장치가 가장 필요한 시점에 연속적인 고전압 도체가 됩니다.
그 “영점 교차 안전망”—AC에는 있고 DC에는 없습니다. 그리고 절연 스위치의 설계, 정격 및 선택 방법에 대한 모든 것을 바꿉니다.
아이솔레이터 스위치란 무엇인가요?
An 아이솔레이터 스위치 (단로 스위치 또는 스위치 단로기라고도 함)은 전기 회로를 전원에서 분리하여 안전한 유지 보수 및 수리를 보장하도록 설계된 기계식 스위칭 장치입니다. 다음에 의해 관리됩니다. IEC 60947-3:2020 저전압 개폐 장치(최대 1000V AC 및 1500V DC)의 경우 절연기 스위치는 활선 도체와 다운스트림 장비 사이에 보이는 분리(눈으로 보거나 확인할 수 있는 물리적 간격)를 제공합니다.
달리 회로 차단기, 절연 장치는 부하 상태에서 고장 전류를 차단하도록 설계되지 않았습니다. 유지 보수 분리 장치입니다. 회로에 전원이 공급되지 않거나 최소 부하가 걸릴 때 열어 다운스트림 작업을 위한 안전한 격리 지점을 만듭니다. 대부분의 절연 장치에는 LOTO(잠금/태그아웃) 규정 준수를 위한 잠금 메커니즘(자물쇠 걸쇠 또는 잠금 가능 핸들)이 포함되어 있습니다.
절연 장치 선택이 중요한 이유는 다음과 같습니다. 아크 차단—스위치를 연 후 마이크로초 단위로 발생하는 현상—은 AC와 DC에서 근본적으로 다릅니다. AC 서비스에 적합한 절연 장치는 전압이 낮더라도 DC 서비스에는 완전히 부적합(및 위험)할 수 있습니다. 정격 플레이트에 “690V”라고 표시되어 있을 수 있지만 이는 690V입니다. AC. 600V DC 태양광 스트링에 사용하시겠습니까? 잠재적인 아크 플래시 위험을 만들었습니다.
이는 사소한 기술적 세부 사항이나 보수적인 안전 여유가 아닙니다. 물리학입니다. 그리고 그 이유를 이해하려면 전압 하에서 접점이 분리될 때 모든 스위치 내부에서 발생하는 현상을 살펴봐야 합니다.
프로 끝#1: 데이터시트에 명시적인 DC 전압/전류 정격이 없는 한 AC 정격 절연 장치를 DC 애플리케이션에 절대 사용하지 마십시오. 690V AC 정격 절연 장치는 일반적으로 220-250V DC의 DC 용량만 있습니다. 이는 개방 회로에서 4패널 태양광 스트링보다 적습니다.
아크 소멸 문제: DC가 다른 이유
전압 하에서 스위치를 열면 아크가 형성됩니다. 피할 수 없습니다. 접점이 분리됨에 따라 접점 사이의 간격은 여전히 작아서(마이크로미터, 다음 밀리미터) 전압이 공기를 이온화하여 전도성 플라즈마 채널을 만듭니다. 기계적 접점이 더 이상 닿지 않더라도 전류는 이 아크를 통해 계속 흐릅니다.
스위치가 회로를 진정으로 분리하려면 이 아크를 소멸시켜야 합니다. 그리고 여기서 AC와 DC가 완전히 달라집니다.
AC: 자연스러운 영점 교차
교류는 이름에서 알 수 있듯이 교대로 바뀝니다. 50Hz AC 시스템은 초당 100번 영점 전압/전류를 교차합니다. 60Hz 시스템은 초당 120번 영점을 교차합니다. 8.33밀리초(60Hz) 또는 10밀리초(50Hz)마다 전류 흐름 방향이 바뀌고 영점을 통과합니다.
전류 영점 교차에서는 아크를 유지하는 에너지가 없습니다. 플라즈마가 탈이온화됩니다. 아크가 소멸됩니다. 접점이 다음 반주기까지 충분히 분리된 경우 간격의 유전 강도(재점화 없이 전압을 견딜 수 있는 능력)가 시스템 전압을 초과합니다. 아크가 다시 발생하지 않습니다. 격리가 달성됩니다.
This is “영점 교차 안전망” AC 절연 장치는 이 자연스러운 차단에 의존할 수 있습니다. 접점 설계, 간격 거리 및 아크 챔버 형상은 다음 영점 교차 후에 아크가 다시 발생하지 않도록 하는 데만 필요합니다. 비교적 관대한 설계 문제입니다.
DC: 끝없는 아크 문제
직류에는 영점 교차가 없습니다. 절대 없습니다. 600V DC 태양광 스트링은 600볼트를 지속적으로 제공합니다. 절연 장치 접점이 분리되고 아크가 형성되면 해당 아크는 지속적인 에너지에 의해 유지됩니다. 자연스러운 차단 지점이 없습니다. 다음 세 가지 중 하나가 발생할 때까지 아크는 무기한으로 계속됩니다.
- 접점 간격이 충분히 커집니다 아크조차도 연결할 수 없습니다(AC보다 훨씬 더 큰 물리적 분리가 필요함)
- 아크가 기계적으로 늘어나고 냉각되고 날려집니다 자기장과 아크 슈트를 사용하여
- 접점이 함께 용접됩니다 지속적인 가열로 인해 격리의 전체 목적이 무효화됩니다.
옵션 3은 DC 서비스에서 AC 정격 절연 장치를 사용할 때 발생하는 현상입니다. 다음 영점 교차가 10밀리초 안에 도착하기 때문에 AC에 적합한 접점 분리 속도와 간격 거리는 DC에는 충분하지 않습니다. 아크가 유지됩니다. 접점 마모가 가속화됩니다. 최악의 경우 접점이 용접되어 격리가 완전히 손실됩니다.
Pro-Tip#2: AC 전류는 초당 100번(50Hz) 또는 120번(60Hz) 영점을 교차합니다. 각 영점 교차는 아크가 자연적으로 소멸될 수 있는 기회입니다. DC 전류는 영점을 교차하지 않습니다. 이는 사소한 차이가 아닙니다. DC 절연 장치에 AC 절연 장치에는 없는 자기 블로우아웃 코일과 깊은 아크 슈트가 필요한 이유입니다.
DC 절연 장치 설계: 아크 챔버 전사
DC 아크는 자체 소멸되지 않으므로 DC 절연 장치는 적극적인 기계적 수단을 통해 소멸을 강제해야 합니다. 이것이 “아크 챔버 전사”—DC 절연 장치는 전투를 위해 설계되었습니다.
자기 블로우아웃 코일
대부분의 DC 절연 장치에는 자기 블로우아웃 코일 또는 접점 근처에 배치된 영구 자석이 통합되어 있습니다. 아크가 형성되면 자기장이 아크 전류(이동하는 전하)와 상호 작용하여 접점에서 멀리 떨어진 아크를 아크 소멸 챔버로 밀어 넣는 로렌츠 힘을 생성합니다.
아크가 머물고 싶어하는 곳에서 물리적으로 밀어내는 자기 손이라고 생각하십시오. 아크를 더 빠르고 멀리 이동할수록 더 많이 냉각되고 늘어나서 더 이상 스스로를 유지할 수 없습니다.
아크 슈트(분할기 플레이트)
아크가 아크 챔버로 날려지면 아크 슈트—아크를 여러 개의 더 짧은 세그먼트로 분할하는 금속 플레이트(종종 구리) 배열을 만납니다. 각 세그먼트에는 자체 전압 강하가 있습니다. 모든 세그먼트의 총 전압 강하가 시스템 전압을 초과하면 아크는 더 이상 유지할 수 없습니다. 무너집니다.
DC 절연 장치는 전류 영점 교차에 의존할 수 없기 때문에 AC 절연 장치보다 더 깊고 더 적극적인 아크 슈트 설계를 사용합니다. 아크는 매번 최대 전류로 강제로 소멸되어야 합니다.
고은 접점 재료
DC 아크는 접점에 잔인합니다. 최대 전압에서 지속적인 아킹은 빠른 마모와 가열을 유발합니다. 이를 견디기 위해 DC 절연 장치는 AC 절연 장치에서 흔히 사용되는 구리 또는 황동 접점보다 용접 및 마모에 더 잘 견디는 은 함량이 더 높은 접점 재료(종종 은-텅스텐 또는 은-니켈 합금)를 사용합니다.
결과는? 32A에서 1000V DC 정격의 DC 절연 장치는 물리적으로 더 크고 무겁고 복잡하며 유사한 정격의 AC 절연 장치보다 2-3배 더 비쌉니다. 이는 임의적인 가격 책정이 아니라 영점 교차 없이 아크 소멸을 강제하는 엔지니어링 비용입니다.
프로 끝#3: 태양광 시스템의 경우 항상 절연기의 DC 전압 정격이 예상 최저 온도에서 스트링의 최대 개방 회로 전압(Voc)을 초과하는지 확인하십시오. 400W 모듈 10개 패널 스트링은 -10°C에서 500-600V DC에 도달할 수 있으며 이는 많은 “DC 지원” 절연기를 초과합니다. 또한 다음 가이드를 참조하십시오. DC 절연기 연결 안전한 배선 관행을 위해.
AC 절연 장치 설계: 영점 교차 타기
AC 절연 장치는 비교적 간단합니다. 자기 블로우아웃 코일이 필요하지 않습니다(더 빠른 차단을 위해 일부는 포함하지만). 깊은 아크 슈트가 필요하지 않습니다. 이국적인 접점 재료가 필요하지 않습니다.
왜? 왜냐하면 영점 교차가 대부분의 작업을 수행하기 때문입니다. AC 절연 장치의 작업은 아크를 강제로 소멸시키는 것이 아니라 자연스러운 영점 교차 차단 후에 아크가 다시 발생하지 않도록 하는 것입니다.
- 충분한 간격 거리: 일반적으로 저전압 AC의 경우 전압 및 오염 정도에 따라 3-6mm
- 기본 아크 격리: 표면을 가로지르는 아크 트래킹을 방지하기 위한 간단한 절연 장벽
그게 다입니다. AC 절연기는 파형에 의존하여 무거운 작업을 수행합니다. 기계적 설계는 따라가기만 하면 됩니다. 3상 모터와 같은 특정 애플리케이션의 경우 다음을 확인하십시오. 3상 절연기 스위치에 대한 완벽한 가이드.
전압 강하 페널티
많은 엔지니어가 놀라는 점이 있습니다. 만약 ~ 해야 하다 DC용으로 AC 정격 절연기를 사용하는 경우(해서는 안 되지만 가상적으로), DC 전압 용량은 AC 정격보다 훨씬 낮습니다. 이것이 “전압 강하 페널티”입니다.”
일반적인 패턴:
- 690V AC 정격 → 약 220-250V DC 용량
- 400V AC 정격 → 약 150-180V DC 용량
- 230V AC 정격 → 약 80-110V DC 용량
왜 이렇게 심각한 강하가 발생할까요? DC 아크 전압은 AC 아크 전압과 근본적으로 다르기 때문입니다. 제조업체는 DC 전압 정격을 대폭 낮춰 이를 고려합니다.
태양광 PV 애플리케이션의 경우, 이것이 “PV 스트링 트랩”입니다.” 일반적인 400W 태양광 패널은 STC에서 약 48-50V의 개방 회로 전압(Voc)을 가집니다. 10개의 패널을 함께 연결하면 480-500V가 됩니다. 그러나 Voc는 낮은 온도에서 증가합니다. 180V DC 정격의 400V AC 절연기? 완전히 부적절합니다.
프로 끝#4: 절연기는 무부하 또는 최소 부하 스위칭용으로 설계되었습니다. 과전류 보호가 아닌 유지 보수 분리입니다. 날씨 보호가 필요한 환경의 경우 다음을 이해해야 합니다. 절연기 스위치의 IP 등급.
DC vs AC 절연기: 주요 사양 비교
| 사양 | AC 아이솔레이터 | DC 아이솔레이터 |
|---|---|---|
| 아크 소호 메커니즘 | 자연 전류 영점 교차(100-120회/초) | 강제 기계적 소호(자기 불어내기 + 아크 슈트) |
| 필요한 접점 간격 | 3-6mm(전압에 따라 다름) | 8-15mm(동일 전압에 대해 더 큰 간격) |
| 아크 슈트 설계 | 최소 또는 없음 | 깊은 분할판, 공격적인 형상 |
| 자기 불어내기 | 선택 사항(빠른 차단을 위해) | 필수 사항(영구 자석 또는 코일) |
| 접촉 재료 | 구리, 황동, 표준 합금 | 높은 은 함량(Ag-W, Ag-Ni 합금) |
| 전압 정격 예시 | 690V AC | 1000V DC 또는 1500V DC |
| 전류 정격 예시 | 32A, 63A, 125A 일반적 | 16A-1600A(PV/ESS에 대한 더 넓은 범위) |
| 일반적인 애플리케이션 | 모터 제어, HVAC, 산업용 AC 배전 | 태양광 PV, 배터리 저장, EV 충전, DC 마이크로그리드 |
| 표준 | IEC 60947-3:2020(AC 활용 범주) | IEC 60947-3:2020(DC 활용 범주: DC-21B, DC-PV2) |
| 크기 및 무게 | 컴팩트하고 가벼움 | 더 크고 무거움(동일 전류 정격에 대해 2-3배 크기) |
| 비용 | 낮음(기본) | 2-3배 더 비쌈 |
| 개방 시 아크 지속 시간 | <10ms(다음 영점 교차까지) | 기계적으로 소호될 때까지 지속 |
핵심 요점: DC 절연기에 대한 “2-3배 비용 페널티”는 가격 담합이 아니라 영점 교차 없이 아크를 소호하는 근본적인 물리 법칙에 대한 세금을 반영합니다.
DC vs AC 절연기 사용 시기
결정은 선호도 또는 비용 최적화에 관한 것이 아니라 절연기의 아크 소호 기능을 시스템의 전류 유형에 맞추는 것에 관한 것입니다.
DC 절연기 사용 대상:
1. 태양광(PV) 시스템
모든 태양광 어레이 DC 스트링은 어레이와 인버터 사이에 절연이 필요합니다. 스트링 전압은 일반적으로 600-1000V DC에 도달합니다. 특히 PV 스위칭 의무용으로 설계된 IEC 60947-3 DC-PV2 활용 범주를 찾으십시오. 다음 가이드를 참조하십시오. 태양광 결합기 박스 전압 정격 자세한 내용은.
2. 배터리 에너지 저장 시스템(ESS)
배터리 뱅크는 48V에서 800V+ 범위의 DC 전압에서 작동합니다. 배터리 모듈과 인버터 간의 절연이 필요합니다.
3. EV 충전 인프라
DC 급속 충전기는 차량 배터리에 400-800V DC를 직접 공급합니다.
4. DC 마이크로그리드 및 데이터 센터
데이터 센터는 변환 손실을 줄이기 위해 380V DC 배전을 점점 더 많이 사용합니다.
5. 해양 및 철도 DC 배전
선박과 열차는 수십 년 동안 DC 배전(24V, 48V, 110V, 750V)을 사용해 왔습니다.
AC 절연기 사용 대상:
1. 모터 제어 회로
AC 유도 모터, HVAC 시스템 및 펌프용 절연.
건물 AC 배전
조명 패널 및 일반 건물 부하 격리.
산업용 AC 제어 패널
다음을 포함한 기계 제어 캐비닛 AC 접촉기 및 PLC.
중요 규칙
시스템 전압이 DC인 경우(심지어 48V DC인 경우에도) DC 정격 절연체를 사용하십시오. 아크 물리학은 전압 레벨에 신경 쓰지 않고 파형 유형에 신경 씁니다. 48V DC 아크는 AC 전용 스위치에서 지속되어 접점 용접을 일으킬 수 있습니다.
선택 가이드: DC 절연체에 대한 4단계 방법
1단계: 최대 시스템 전압 계산
For 태양광 PV: 예상 최저 주변 온도에서 스트링 Voc를 계산합니다. Voc는 25°C 이하에서 약 0.3-0.4%/°C 증가합니다.
- 예: 10개 패널 스트링, STC에서 Voc = 49V/패널. -10°C에서: 49V × 1.14(온도 계수) × 10개 패널 = 559V DC 최소 절연체 정격
Pro-Tip: 안전 여유를 위해 항상 계산된 최대 시스템 전압보다 최소 20% 높은 절연체 전압 정격을 지정하십시오.
2단계: 전류 정격 결정
For 태양광 PV: 스트링 단락 전류(Isc) × 1.25 안전 계수를 사용합니다.
3단계: 활용 범주 확인
IEC 60947-3 활용 범주에 대한 데이터시트를 확인하십시오. 일반 DC 회로의 경우 DC-21B, 특히 광전지 DC 스위칭의 경우 DC-PV2입니다.
4단계: 단락 정격 확인(해당하는 경우)
대부분의 절연기는 무부하 또는 최소 부하 스위칭용으로 설계되었습니다. 정기적인 부하 스위칭 또는 고장 차단의 경우 다음을 지정하십시오. DC 회로 차단기 대신.
프로 끝#5: DC 절연체는 근본적으로 다른 접점 재료, 자기 블로우아웃 시스템 및 깊은 아크 소호 챔버가 필요하기 때문에 동등한 AC 절연체보다 2-3배 더 비쌉니다.
자주 묻는 질문
DC 애플리케이션에 AC 아이솔레이터를 사용할 수 있나요?
아니요, 일반적으로 할 수 없습니다. AC 절연기는 전기 아크를 소멸시키기 위해 교류의 “영점 교차”에 의존합니다. DC 전류에는 영점 교차가 없으므로 아크가 AC 스위치에서 무기한으로 유지되어 과열, 화재 및 접점 용접으로 이어질 수 있습니다.
DC 절연기가 AC 절연기보다 큰 이유는 무엇입니까?
DC 절연기는 아크의 소멸을 기계적으로 강제하기 위해 자기 소호 코일 및 더 깊은 아크 슈트(스플리터 플레이트)와 같은 더 큰 내부 구성 요소가 필요합니다. 또한 아크가 다시 켜지는 것을 방지하기 위해 더 넓은 접점 간격이 필요합니다.
DC 절연기와 DC 회로 차단기의 차이점은 무엇입니까?
DC 절연기는 주로 유지 보수 분리(회로 분리)용으로 설계되었으며 일반적으로 무부하 상태에서 작동됩니다. A DC 회로 차단기 과부하 및 단락에 대한 자동 보호 기능을 제공하고 부하 상태에서 고장 전류를 차단하도록 설계되었습니다.
결론: 물리학은 선택 사항이 아닙니다.
DC와 AC 절연체 스위치의 차이는 정격, 비용 또는 선호도의 문제가 아닙니다. 그것은 물리학입니다.
AC 절연체는 다음을 기반으로 합니다. “영점 교차 안전망”. DC 절연체는 다음 문제에 직면합니다. “끝없는 아크 문제”. 스위치가 자기 블로우아웃 코일과 깊은 아크 슈트를 통해 소호를 강제하지 않으면 아크가 무기한 지속됩니다.
태양광 PV 스트링 또는 배터리 저장 장치용 절연체를 지정할 때 아크 소호 시스템을 선택하는 것입니다. 잘못된 것을 사용하면 지속적인 아크 및 화재의 위험이 있습니다. 규칙은 간단합니다. 전압이 DC인 경우 DC 정격 절연체를 사용하십시오.
물리학은 협상할 수 없습니다. 그에 따라 선택하십시오.
태양광 PV 또는 배터리 저장 프로젝트용 DC 절연체를 선택하는 데 도움이 필요하십니까? IEC 60947-3 준수 DC 스위칭 솔루션에 대한 기술 지침은 애플리케이션 엔지니어링 팀에 문의하십시오.
