Zasady doboru bezpieczników do magazynów energii elektrycznej

Bezpieczniki firmy SIBA – zastosowanie w magazynach energii elektrycznej

Magazyny energii elektrycznej mogą być źródłem zasilania tylko wtedy, gdy są sprawne

• Systemy umożliwiające pracę urządzeń w przypadku awarii zasilania są zróżnicowane od małych urządzeń UPS do baterii akumulatorów zapewniających zasilanie całych zakładów. Jest zatem sprawą kluczową, aby systemy zasilania awaryjnego same działały bez zarzutu. Bezpieczniki produkowane przez firmę SIBA zabezpieczają urządzenia, które w przypadku awarii zasilania dostarczają energię kluczowym odbiorom.
• Coraz częściej regulowanie częstotliwości sieci w elektrowniach wykorzystujących energie odnawialne, odbywa się za pomocą stacjonarnych magazynów energii o mocy kilku megawatów, zaprojektowanych tak, aby stanowiły rezerwę. Również tutaj niezbędne są aparaty zabezpieczające systemy przed uszkodzeniem. Tę funkcję mogą spełniać bezpieczniki firmy SIBA.
• Zakłady przemysłowe stosują w swoich sieciach urządzenia zasilania rezerwowego z akumulatorami, aby sterować połączeniami z publiczną siecią energetyczną. Uszkodzenie takich elementów może mieć negatywne konsekwencje dla procesu produkcji. Można jednak tego uniknąć stosując bezpieczniki firmy SIBA.

Tylko odpowiednio dobrane bezpieczniki spełniają swoją rolę

• O ile dane katalogowe wyraźnie nie dopuszczą takiej możliwości, bezpieczniki zaprojektowane na prąd przemienny nie powinny być stosowane w obwodach prądu stałego. W przypadku awarii zasilania, kiedy system przestawia się na zasilanie z akumulatorów, skutkuje to prądami rozładowania, których wartości i charakterystyki czasowe przypominają te, którymi charakteryzują się prądy zwarciowe. Wymaga to zastosowania specjalnych, szybszych bezpieczników.
• Posiadanie dużego doświadczenia w dziedzinie rozwiązań z użyciem bezpieczników ultraszybkich w porównywalnych konfiguracjach technicznych jak np. w energoelektronice, umożliwia firmie SIBA zapewnienie skutecznej ochrony również rozbudowanym zestawom akumulatorów, a także głównym obwodom zasilania.
• Nawet standardowa oferta bezpieczników ultraszybkich pełno- i niepełnozakresowych jest tak duża, że SIBA jest w stanie szybko zaproponować odpowiednie rozwiązanie. Nasz dział badawczo-rozwojowy z pewnością pomoże w bardziej skomplikowanych przypadkach.

Cztery kroki do dobrania odpowiedniego bezpiecznika do magazynów energii elektrycznej

Jako producent bezpieczników topikowych, SIBA posiada rozwijane od dziesięcioleci portfolio, obejmujące różnorodne bezpieczniki do zabezpieczania w przypadku przeciążeń i zwarć w sieciach elektrycznych. Podczas gdy w większości rodzajów instalacji zastosowania bezpieczników zostały znormalizowane, to w przypadku szczególnie wrażliwych obwodów z akumulatorami, urządzenie zabezpieczające jest wciąż jeszcze dobierane na podstawie „ogólnie stosowanej wiedzy”. Odnośnie dobierania bezpieczników najczęściej słyszy się, że „wystarczy określić prąd i napięcie znamionowe”.
Wraz z pojawieniem się technologii fotowoltaicznej, SIBA zaczęła opracowywać specjalne bezpieczniki do obwodów fotowoltaicznych, a także zainteresowała się wymagającymi zabezpieczenia obwodami z akumulatorami.
Po technicznych dyskusjach z producentami akumulatorów oraz z pomocą uczelni technicznych zajmujących się tym tematem, SIBA opracowała kryteria doboru bezpieczników, które mogą mieć szerokie zastosowanie do większości obwodów z akumulatorami. Kryteria te pokazują, że oprócz napięcia i prądu roboczego, muszą zostać uwzględnione również inne czynniki, tak aby w razie awarii, prąd zakłóceniowy został wyłączony zanim dojdzie do uszkodzenia instalacji.

Krok 1. Określenie napięcia znamionowego bezpiecznika

Napięcie znamionowe prądu stałego bezpiecznika nie powinno być mniejsze od najwyższego napięcia występującego w obwodzie prądu stałego, tzn. napięcia ładowania akumulatora U_ł:
……………………………………………………U_nb   ≥   U_ł
W kartach katalogowych określa się, czy bezpieczniki mają zdolność wyłączania prądu przemiennego, czy stałego. W przypadku, kiedy określono wyłącznie napięcie znamionowe prądu przemiennego, bezpieczniki tylko w wyjątkowych okolicznościach nadają się do stosowania w obwodach prądu stałego. Należy skonsultować się z producentem, aby potwierdzić, czy powszechnie znany fakt „znamionowe napięcie prądu stałego = 0,7 znamionowego napięcia przemiennego”, ma w tym przypadku zastosowanie. Producent powinien wypowiedzieć się również na temat dopuszczalnej stałej czasowej zwartego obwodu. Jednak w większości przypadków nie jest to konieczne, ponieważ w obwodach z akumulatorami można spodziewać się stosunkowo małych stałych czasowych (często krótszych niż 2 ms).

Krok 2. Określenie najmniejszego prądu znamionowego bezpiecznika

Odpowiednią wartością do określenia najmniejszego prądu znamionowego bezpiecznika I_{n min} jest największa wartość prądu występująca w obwodzie rozładowania akumulatora, tzn. prąd rozładowania akumulatora I_e występujący w końcowej fazie procesu rozładowania_. Można ją obliczyć korzystając z mocy wejściowej falownika S_n [kVA] oraz napięcia w końcowej fazie rozładowania U_e, uwzględniając przy tym współczynnik mocy (np. 0,8) oraz sprawność ƞ (0,85 – 0,97):
………………………………………………….I_e =   S_n cos ɸ /U_e ƞ
………………………………………………….I_{n min}  ≥   I_e

Krok 3. Uwzględnienie dodatkowych czynników

Przewidywane zastosowanie magazynu energii może mieć taki sam wpływ na wybór prądu znamionowego bezpiecznika jak warunki otoczenia występujące w miejscu umieszczania bezpieczników w obudowach lub szafach sterowniczych. Jak powszechnie wiadomo nie ma JEDNEGO czasu rozładowania, JEDNEGO prądu rozładowania ani JEDNEJ częstości ładowania/rozładowania. Uwzględnia się różne zastosowania opierając się na współczynniku k_Batt odnoszącym się do minimalnego prądu znamionowego. Mimo wszystko 30-minutowy czas rozładowania połączony z pojedynczym cyklem ładowania/rozładowania raz na miesiąc powinien być traktowany zupełnie inaczej niż sytuacja jaka ma miejsce w magazynie energii instalacji fotowoltaicznej, gdzie takich cykli jest kilka w ciągu dnia.

W tabeli 1 podano współczynniki k_Batt dla zastosowań w różnych urządzeniach z akumulatorami. Przy stosowaniu tych współczynników dopuszcza się pewną wymaganą przeciążalność:
……………I_n      ≥   I_{n min} / k_Batt

Temperatura otoczenia znacznie odbiegająca od 30^oC również może mieć wpływ na wybór prądu znamionowego. W tym przypadku można posłużyć się standardowym wykresem obniżenia parametrów znamionowych dla wkładek topikowych:
…………………………………………..I_n      ≥   I_{n min} / k_Batt  k_th

Jak pokazano na wykresie 1, temperatura otoczenia wynosząca np. 70^oC w szafie sterującej, może spowodować konieczność obniżenia prądu znamionowego ze 100A do 70A.

Krok 4. Wybór kategorii użytkowania

W obwodach ładowania prądu stałego stosowane są bezpieczniki następujących kategorii użytkowania:
aR – Wkładki o niepełnozakresowej zdolności wyłączania do zabezpieczania półprzewodników („niepełnozakresowe, ultraszybkie”);
gS (gRL) – Wkładki o pełnozakresowej zdolności wyłączania do zabezpieczania półprzewodników i przewodów („pełnozakresowe, szybkie”);
gG – Wkładki o pełnozakresowej zdolności wyłączania ogólnego przeznaczenia („pełnozakresowe, zwłoczne”).

Wyboru kategorii użytkowania możemy dokonać w oparciu o najdłuższy czas przedłukowy dopuszczalny w przypadku zwarcia. Aby to zrobić, trzeba najpierw obliczyć maksymalny prąd zwarciowy I_zB w pełni naładowanego akumulatora, korzystając z napięcia jałowego U_B oraz rezystancji wewnętrznej akumulatora R_B:
I_zB  = 0,95U_B /R_B
Wartość tę należy nanieść w postaci pionowej linii na charakterystykę czasowo-prądową bezpieczników (patrz wykres 2). Prowadząc linię poziomą z punktu przecięcia naniesionej linii pionowej z charakterystyką czasowo-prądową bezpiecznika na wybrany prąd znamionowy, możemy na osi pionowej odczytać czas przedłukowy.
W podobny sposób postępujemy, gdy chcemy znać czas przedłukowy dla mniejszych prądów przetężeniowych. W przypadku prądów przetężeniowych przekraczających prąd znamionowy bezpiecznika 6 do 10 razy, można zastosować bezpieczniki niepełnozakresowe; dla prądów przetężeniowych o krotności poniżej tej wartości niezbędne są bezpieczniki pełnozakresowe. Jeżeli prąd przetężeniowy znajduje się w obrębie linii przerywanej na krzywej charakterystyki czasowo-prądowej bezpiecznika niepełnozakresowego, rozwiązanie takie jest niedozwolone.
Zatem wybór kategorii użytkowania (gG, aR, gS (gRL)) decyduje o tym jak szybko zostanie wyłączony prąd zwarciowy I_zB.

Aktualną ofertę bezpieczników prądu stałego produkcji firmy SIBA do zabezpieczania akumulatorów można znaleźć kontaktując się z oddziałem producenta w Polsce: SIBA Polska Sp. z o.o., www.siba-bezpieczniki.pl, siba@siba-bezpieczniki.pl

Pomimo tego, że w niniejszym artykule opisujemy metodę czteroetapowego doboru odpowiedniego zabezpieczenia obwodów z akumulatorami, to zależności między złożonymi systemami magazynowania energii nie zawsze są łatwe do zrozumienia, a wprowadzane do obliczeń wartości nie zawsze łatwe do określenia. Nasz profesjonalny zespół doradczy odpowie na Państwa pytania. Zachęcamy do skontaktowania się z zespołem SIBA w przypadku jakichkolwiek wątpliwości odnośnie obliczeń.