Kỹ thuật viên bảo trì mở công tắc cách ly. 600 volt, 32 ampe. Quy trình khóa/cô lập thông thường cho một dãy pin mặt trời trên mái nhà.
Ngoại trừ việc công tắc không được định mức cho DC.
Bên trong vỏ, một hồ quang hình thành giữa các tiếp điểm tách rời—một cầu plasma rực rỡ, duy trì dẫn điện 600V DC qua không khí ion hóa. Trong một hệ thống AC, hồ quang này sẽ tự tắt trong vòng 10 mili giây, bị dập tắt tại điểm cắt không của dòng điện tiếp theo. Nhưng dòng điện DC không có điểm cắt không. Hồ quang duy trì. Các tiếp điểm bắt đầu bị ăn mòn. Nhiệt độ tăng lên. Trong vài giây, công tắc cách ly lẽ ra phải cung cấp khả năng ngắt kết nối an toàn đã trở thành một dây dẫn điện áp cao liên tục, chính xác khi bạn cần nó được cách ly nhất.
Đó là “Lưới An Toàn Cắt Không”—AC có nó, DC thì không. Và nó thay đổi mọi thứ về cách các công tắc cách ly phải được thiết kế, định mức và lựa chọn.
Công tắc cách ly là gì?
Một công tắc cách ly (còn được gọi là công tắc ngắt kết nối hoặc bộ ngắt mạch chuyển mạch) là một thiết bị chuyển mạch cơ học được thiết kế để cách ly một mạch điện khỏi nguồn điện của nó, đảm bảo an toàn cho việc bảo trì và sửa chữa. Được quản lý bởi IEC 60947-3:2020 cho thiết bị đóng cắt điện áp thấp (lên đến 1000V AC và 1500V DC), công tắc cách ly cung cấp khả năng ngắt kết nối có thể nhìn thấy—một khoảng trống vật lý bạn có thể nhìn thấy hoặc xác minh—giữa các dây dẫn điện và thiết bị hạ nguồn.
Không giống như bộ ngắt mạch, công tắc cách ly không được thiết kế để ngắt dòng điện sự cố khi có tải. Chúng là các thiết bị ngắt kết nối bảo trì. Bạn mở chúng khi mạch không còn năng lượng hoặc mang tải tối thiểu, tạo ra một điểm cách ly an toàn cho công việc ở hạ nguồn. Hầu hết các công tắc cách ly bao gồm một cơ chế khóa (móc khóa hoặc tay cầm có thể khóa) để tuân thủ LOTO (Khóa/Gắn thẻ).
Đây là điều làm cho việc lựa chọn công tắc cách ly trở nên quan trọng: vật lý của ngắt hồ quang—điều gì xảy ra trong các micro giây sau khi bạn mở công tắc—về cơ bản là khác nhau đối với AC so với DC. Một công tắc cách ly phù hợp cho dịch vụ AC có thể hoàn toàn không phù hợp (và nguy hiểm) cho dịch vụ DC, ngay cả ở điện áp thấp hơn. Tấm định mức có thể ghi “690V”, nhưng đó là 690V Máy chủ. AC. Sử dụng nó trên một chuỗi năng lượng mặt trời 600V DC? Bạn vừa tạo ra một nguy cơ phóng hồ quang tiềm ẩn.
Đây không phải là một chi tiết kỹ thuật nhỏ hoặc một biên độ an toàn bảo thủ. Đó là vật lý. Và việc hiểu lý do tại sao đòi hỏi phải xem xét điều gì xảy ra bên trong mỗi công tắc khi các tiếp điểm tách ra dưới điện áp.
Pro-Đầu #1: Không bao giờ sử dụng công tắc cách ly định mức AC cho các ứng dụng DC trừ khi nó có định mức điện áp/dòng điện DC rõ ràng trên bảng dữ liệu của nó. Một công tắc cách ly định mức 690V AC thường chỉ có dung lượng DC là 220-250V DC—ít hơn một chuỗi năng lượng mặt trời 4 tấm ở mạch hở.
Vấn Đề Dập Tắt Hồ Quang: Tại Sao DC Lại Khác Biệt
Khi bạn mở bất kỳ công tắc nào dưới điện áp, một hồ quang sẽ hình thành. Điều đó là không thể tránh khỏi. Khi các tiếp điểm tách ra, khoảng cách giữa chúng vẫn đủ nhỏ—micromet, sau đó là milimet—điện áp ion hóa không khí, tạo ra một kênh plasma dẫn điện. Dòng điện tiếp tục chạy qua hồ quang này ngay cả khi các tiếp điểm cơ học không còn chạm vào nhau.
Để công tắc thực sự cách ly mạch, hồ quang này phải được dập tắt. Và đây là nơi AC và DC hoàn toàn khác nhau.
AC: Điểm Cắt Không Tự Nhiên
Dòng điện xoay chiều, như tên gọi của nó, luân phiên. Một hệ thống AC 50 Hz vượt qua điện áp/dòng điện bằng không 100 lần mỗi giây. Một hệ thống 60 Hz vượt qua số không 120 lần mỗi giây. Cứ sau 8,33 mili giây (60 Hz) hoặc 10 mili giây (50 Hz), dòng điện đảo ngược hướng—và đi qua số không.
Tại điểm cắt không của dòng điện, không có năng lượng duy trì hồ quang. Plasma khử ion. Hồ quang tắt. Nếu các tiếp điểm đã tách ra đủ xa vào nửa chu kỳ tiếp theo, độ bền điện môi của khoảng trống (khả năng chịu được điện áp mà không bị đánh lửa lại) vượt quá điện áp hệ thống. Hồ quang không đánh lửa lại. Đã đạt được sự cô lập.
Đây là “Lưới An Toàn Cắt Không.” Công tắc cách ly AC có thể dựa vào sự gián đoạn tự nhiên này. Thiết kế tiếp điểm, khoảng cách khe hở và hình dạng buồng hồ quang của chúng chỉ cần đảm bảo hồ quang không đánh lửa lại sau điểm cắt không tiếp theo. Đó là một vấn đề thiết kế tương đối dễ dàng.
DC: Vấn Đề Hồ Quang Vô Tận
Dòng điện một chiều không có điểm cắt không. Không bao giờ. Một chuỗi năng lượng mặt trời 600V DC cung cấp 600 volt liên tục. Khi các tiếp điểm của công tắc cách ly tách ra và một hồ quang hình thành, hồ quang đó được duy trì bởi năng lượng liên tục. Không có điểm gián đoạn tự nhiên. Hồ quang sẽ tiếp tục vô thời hạn cho đến khi một trong ba điều sau xảy ra:
- Khoảng cách tiếp xúc trở nên đủ lớn đến mức ngay cả hồ quang cũng không thể bắc qua nó (đòi hỏi sự tách biệt vật lý lớn hơn nhiều so với AC)
- Hồ quang bị kéo dài, làm mát và thổi ra một cách cơ học sử dụng từ trường và máng hồ quang
- Các tiếp điểm hàn lại với nhau từ nhiệt liên tục, đánh bại toàn bộ mục đích của việc cô lập
Tùy chọn 3 là những gì xảy ra khi bạn sử dụng công tắc cách ly định mức AC trong dịch vụ DC. Tốc độ tách tiếp điểm và khoảng cách khe hở hoạt động tốt cho AC—vì điểm cắt không tiếp theo đến sau 10 mili giây—là không đủ cho DC. Hồ quang duy trì. Sự xói mòn tiếp xúc tăng tốc. Trong trường hợp xấu nhất, các tiếp điểm hàn lại và bạn mất hoàn toàn khả năng cách ly.
Pro-Đầu #2: Dòng điện AC vượt qua số không 100 lần mỗi giây (50 Hz) hoặc 120 lần (60 Hz)—mỗi lần vượt qua số không là một cơ hội để hồ quang tự tắt một cách tự nhiên. Dòng điện DC không bao giờ vượt qua số không. Đây không phải là một sự khác biệt nhỏ—đó là lý do tại sao công tắc cách ly DC cần cuộn dây thổi từ tính và máng hồ quang sâu mà công tắc cách ly AC không cần.
Thiết Kế Công Tắc Cách Ly DC: Chiến Binh Buồng Hồ Quang
Vì hồ quang DC sẽ không tự dập tắt, công tắc cách ly DC phải buộc dập tắt thông qua các phương tiện cơ học mạnh mẽ. Đây là “Chiến Binh Buồng Hồ Quang”—một công tắc cách ly DC được thiết kế cho trận chiến.
Cuộn Dây Thổi Từ Tính
Hầu hết các công tắc cách ly DC kết hợp cuộn dây thổi từ tính hoặc nam châm vĩnh cửu được đặt gần các tiếp điểm. Khi một hồ quang hình thành, từ trường tương tác với dòng điện hồ quang (vốn là một điện tích chuyển động), tạo ra một lực Lorentz đẩy hồ quang ra khỏi các tiếp điểm và vào buồng dập tắt hồ quang.
Hãy nghĩ về nó như một bàn tay từ tính đẩy hồ quang ra khỏi nơi nó muốn ở. Bạn di chuyển hồ quang càng nhanh và càng xa, nó càng nguội và kéo dài, cho đến khi nó không còn có thể tự duy trì.
Máng Hồ Quang (Tấm Chia)
Khi hồ quang được thổi vào buồng hồ quang, nó sẽ gặp phải máng hồ quang—các mảng tấm kim loại (thường là đồng) chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn hơn. Mỗi đoạn có điện áp rơi riêng. Khi tổng điện áp rơi trên tất cả các đoạn vượt quá điện áp hệ thống, hồ quang không còn có thể duy trì. Nó sụp đổ.
Công tắc cách ly DC sử dụng thiết kế máng hồ quang sâu hơn, mạnh mẽ hơn so với công tắc cách ly AC vì chúng không thể dựa vào các điểm cắt không của dòng điện. Hồ quang phải bị dập tắt cưỡng bức ở dòng điện đầy đủ, mọi lúc.
Vật Liệu Tiếp Điểm Bạc Cao
Hồ quang DC rất tàn bạo trên các tiếp điểm. Hồ quang duy trì ở điện áp đầy đủ gây ra sự xói mòn và nóng lên nhanh chóng. Để chịu được điều này, công tắc cách ly DC sử dụng vật liệu tiếp điểm có hàm lượng bạc cao hơn (thường là hợp kim bạc-vonfram hoặc bạc-niken) có khả năng chống hàn và xói mòn tốt hơn so với các tiếp điểm đồng hoặc đồng thau phổ biến trong công tắc cách ly AC.
Kết quả? Một công tắc cách ly DC định mức 1000V DC ở 32A lớn hơn, nặng hơn, phức tạp hơn và có giá cao hơn 2-3 lần so với một công tắc cách ly AC có định mức tương tự. Đây không phải là định giá tùy ý—đó là chi phí kỹ thuật của việc buộc dập tắt hồ quang mà không cần điểm cắt không.
Pro-Đầu #3: Đối với các hệ thống quang điện, luôn xác minh định mức điện áp DC của công tắc cách ly vượt quá điện áp mạch hở tối đa (Voc) của chuỗi của bạn ở nhiệt độ dự kiến thấp nhất. Một chuỗi 10 tấm mô-đun 400W có thể đạt 500-600V DC ở -10°C—vượt quá nhiều công tắc cách ly “có khả năng DC”.
Thiết Kế Công Tắc Cách Ly AC: Cưỡi Trên Điểm Cắt Không
So với đó, công tắc cách ly AC rất đơn giản. Chúng không cần cuộn dây thổi từ tính (mặc dù một số bao gồm chúng để ngắt nhanh hơn). Chúng không cần máng hồ quang sâu. Chúng không cần vật liệu tiếp điểm kỳ lạ.
Tại sao? Bởi vì điểm cắt không thực hiện hầu hết công việc. Công việc của công tắc cách ly AC không phải là dập tắt hồ quang một cách cưỡng bức—mà là đảm bảo hồ quang không đánh lửa lại sau khi gián đoạn điểm cắt không tự nhiên.
- Khoảng cách khe hở đủ: Thường là 3-6mm đối với AC điện áp thấp, tùy thuộc vào điện áp và mức độ ô nhiễm
- Ngăn chặn hồ quang cơ bản: Các rào cản cách điện đơn giản để ngăn chặn sự phóng điện bề mặt (arc tracking) trên các bề mặt
Chỉ vậy thôi. Các bộ cách ly AC dựa vào dạng sóng để thực hiện công việc nặng nhọc. Thiết kế cơ học chỉ cần theo kịp.
Mức giảm điện áp
Đây là một điều bất ngờ mà nhiều kỹ sư gặp phải: nếu bạn phải sử dụng bộ cách ly định mức AC cho DC (điều mà bạn không nên làm, nhưng giả sử), thì khả năng điện áp DC của nó thấp hơn đáng kể so với định mức AC. Đây là “Mức giảm điện áp.”
Một mô hình điển hình:
- Định mức 690V AC → khả năng khoảng 220-250V DC
- Định mức 400V AC → khả năng khoảng 150-180V DC
- Định mức 230V AC → khả năng khoảng 80-110V DC
Tại sao lại giảm định mức nghiêm trọng như vậy? Bởi vì điện áp hồ quang DC về cơ bản khác với điện áp hồ quang AC. Các nhà sản xuất tính đến điều này bằng cách giảm đáng kể định mức điện áp DC.
Đối với các ứng dụng năng lượng mặt trời PV, đây là “Cái bẫy chuỗi PV.” Một tấm pin mặt trời 400W thông thường có điện áp hở mạch (Voc) khoảng 48-50V ở STC. Ghép 10 tấm pin lại với nhau: 480-500V. Nhưng Voc tăng lên ở nhiệt độ thấp hơn. Một bộ cách ly AC 400V với định mức DC 180V? Hoàn toàn không đủ.
Pro-Đầu #4: Các bộ cách ly được thiết kế để chuyển mạch không tải hoặc tải tối thiểu—chúng là các thiết bị ngắt kết nối bảo trì, không phải bảo vệ quá dòng.
So sánh các thông số kỹ thuật chính của bộ cách ly DC so với AC
| Đặc điểm kỹ thuật | Bộ cách ly AC | Bộ cách ly DC |
|---|---|---|
| Cơ chế Dập Hồ quang | Điểm cắt không dòng điện tự nhiên (100-120 lần/giây) | Dập tắt cơ học cưỡng bức (thổi từ + máng dập hồ quang) |
| Khoảng cách tiếp xúc cần thiết | 3-6mm (thay đổi theo điện áp) | 8-15mm (khoảng cách lớn hơn cho cùng một điện áp) |
| Thiết kế máng dập hồ quang | Tối thiểu hoặc không có | Các tấm chia sâu, hình học mạnh mẽ |
| Thổi từ | Tùy chọn (để ngắt nhanh) | Bắt buộc (nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây) |
| Vật liệu liên hệ | Đồng, đồng thau, hợp kim tiêu chuẩn | Hàm lượng bạc cao (hợp kim Ag-W, Ag-Ni) |
| Ví dụ về định mức điện áp | 690V AC | 1000V DC hoặc 1500V DC |
| Ví dụ về định mức dòng điện | 32A, 63A, 125A điển hình | 16A-1600A (phạm vi rộng hơn cho PV/ESS) |
| Điển Hình Ứng Dụng | Điều khiển động cơ, HVAC, phân phối AC công nghiệp | Năng lượng mặt trời PV, lưu trữ pin, sạc EV, lưới điện siêu nhỏ DC |
| Tiêu chuẩn | IEC 60947-3:2020 (Các loại sử dụng AC) | IEC 60947-3:2020 (Các loại sử dụng DC: DC-21B, DC-PV2) |
| Kích Thước Và Trọng Lượng | Nhỏ gọn, nhẹ | Lớn hơn, nặng hơn (kích thước gấp 2-3 lần cho cùng định mức dòng điện) |
| Chi phí | Thấp hơn (cơ bản) | Đắt hơn gấp 2-3 lần |
| Thời gian hồ quang khi mở | <10ms (đến điểm cắt không tiếp theo) | Liên tục cho đến khi dập tắt cơ học |
Chìa Khóa Chọn: “Mức phạt chi phí gấp 2-3 lần” cho các bộ cách ly DC không phải là tăng giá—nó phản ánh thuế vật lý cơ bản của việc dập tắt hồ quang mà không có điểm cắt không.
Khi nào nên sử dụng bộ cách ly DC so với AC
Quyết định không phải là về sở thích hoặc tối ưu hóa chi phí—mà là về việc khớp khả năng dập tắt hồ quang của bộ cách ly với loại dòng điện của hệ thống của bạn.
Sử dụng bộ cách ly DC cho:
1. Hệ thống quang điện mặt trời (PV)
Mỗi chuỗi DC của mảng mặt trời đều yêu cầu cách ly giữa mảng và biến tần. Điện áp chuỗi thường đạt 600-1000V DC. Tìm loại sử dụng IEC 60947-3 DC-PV2 được thiết kế đặc biệt cho nhiệm vụ chuyển mạch PV.
2. Hệ thống lưu trữ năng lượng pin (ESS)
Các khối pin hoạt động ở điện áp DC từ 48V đến 800V+. Cần có sự cách ly giữa các mô-đun pin và biến tần.
3. Cơ sở hạ tầng sạc EV
Bộ sạc nhanh DC cung cấp 400-800V DC trực tiếp đến pin xe.
4. Lưới điện siêu nhỏ DC và trung tâm dữ liệu
Các trung tâm dữ liệu ngày càng sử dụng phân phối 380V DC để giảm tổn thất chuyển đổi.
5. Phân phối DC hàng hải và đường sắt
Tàu và tàu hỏa đã sử dụng phân phối DC (24V, 48V, 110V, 750V) trong nhiều thập kỷ.
Sử dụng bộ cách ly AC cho:
1. Mạch điều khiển động cơ
Cách ly cho động cơ cảm ứng AC, hệ thống HVAC và máy bơm.
Phân phối AC trong tòa nhà
Cách ly cho các bảng đèn và tải chung của tòa nhà.
Tủ điều khiển AC công nghiệp
Tủ điều khiển máy với Tiếp điểm AC và PLC.
Quy tắc quan trọng
Nếu điện áp hệ thống của bạn là DC—ngay cả 48V DC—hãy sử dụng bộ cách ly định mức DC. Vật lý hồ quang không quan tâm đến mức điện áp; chúng quan tâm đến loại dạng sóng. Hồ quang 48V DC vẫn có thể duy trì và gây ra hiện tượng hàn tiếp điểm trong công tắc chỉ dùng cho AC.
Hướng dẫn lựa chọn: Phương pháp 4 bước cho bộ cách ly DC
Bước 1: Tính toán điện áp hệ thống tối đa
Vì PV năng lượng mặt trời: Tính toán Voc chuỗi ở nhiệt độ môi trường dự kiến thấp nhất. Voc tăng khoảng 0,3-0,4% trên mỗi °C dưới 25°C.
- Ví dụ: Chuỗi 10 tấm, Voc = 49V/tấm ở STC. Ở -10°C: 49V × 1,14 (hệ số nhiệt độ) × 10 tấm = Định mức bộ cách ly tối thiểu 559V DC
Pro-Mẹo: Luôn chỉ định định mức điện áp bộ cách ly ít nhất cao hơn 20% so với điện áp hệ thống tối đa đã tính toán để có biên độ an toàn.
Bước 2: Xác định định mức dòng điện
Vì PV năng lượng mặt trời: Sử dụng dòng ngắn mạch chuỗi (Isc) × hệ số an toàn 1,25.
Bước 3: Xác minh loại sử dụng
Kiểm tra bảng dữ liệu cho loại sử dụng IEC 60947-3: DC-21B cho mạch DC chung, DC-PV2 đặc biệt cho chuyển mạch DC quang điện.
Bước 4: Xác nhận định mức ngắn mạch (Nếu có thể áp dụng)
Hầu hết các bộ cách ly được thiết kế để chuyển mạch không tải hoặc tải tối thiểu. Để chuyển mạch tải thông thường hoặc ngắt sự cố, hãy chỉ định một bộ ngắt mạch DC thay thế.
Pro-Đầu #5: Bộ cách ly DC có giá cao hơn 2-3 lần so với bộ cách ly AC tương đương vì chúng yêu cầu vật liệu tiếp xúc, hệ thống thổi từ và buồng dập hồ quang sâu khác nhau về cơ bản.
Kết luận: Vật lý không phải là tùy chọn
Sự khác biệt giữa công tắc cách ly DC và AC không phải là vấn đề về định mức, chi phí hoặc sở thích. Đó là vật lý.
Bộ cách ly AC dựa vào “Lưới An Toàn Cắt Không”. Bộ cách ly DC đối mặt với “Vấn đề hồ quang vô tận”. Hồ quang sẽ duy trì vô thời hạn trừ khi công tắc buộc dập tắt thông qua cuộn dây thổi từ và máng hồ quang sâu.
Khi bạn chỉ định một bộ cách ly cho chuỗi PV năng lượng mặt trời hoặc hệ thống lưu trữ pin, bạn đang chọn một hệ thống dập tắt hồ quang. Sử dụng sai hệ thống, bạn có nguy cơ hồ quang duy trì và hỏa hoạn. Quy tắc rất đơn giản: Nếu điện áp của bạn là DC, hãy sử dụng bộ cách ly định mức DC.
Vật lý không thể thương lượng. Hãy chọn cho phù hợp.
Cần trợ giúp chọn bộ cách ly DC cho dự án PV năng lượng mặt trời hoặc lưu trữ pin của bạn? Liên hệ với nhóm kỹ thuật ứng dụng của chúng tôi để được hướng dẫn kỹ thuật về các giải pháp chuyển mạch DC tuân thủ IEC 60947-3.
