Автоматы постоянного тока: почему обычные не подходят
Обычный автоматический выключатель из домашнего щитка рассчитан на переменный ток 230/400 В. В цепи солнечных панелей он включится и, возможно, годами будет пропускать ток — а подведёт в тот единственный момент, ради которого поставлен: при отключении под нагрузкой. Причина в электрической дуге, которая на постоянном токе не гаснет сама. Ниже — чем автомат постоянного тока устроен иначе, как читать его маркировку и где в станции нужен он, а где достаточно разъединителя или предохранителя.
Дуга: в чём разница между переменным и постоянным током
Когда контакты размыкаются под током, между ними загорается дуга — канал раскалённого ионизированного газа, который продолжает проводить ток. В сети с частотой 50 Гц ток сто раз в секунду проходит через ноль. В каждый такой момент дуга гаснет, и автомату остаётся не дать ей зажечься снова: развести контакты подальше и остудить промежуток. На это и рассчитана его дугогасительная камера.
У постоянного тока нуля нет. Дуга горит, пока источник способен её питать. Чтобы её погасить, выключатель должен сам создать на дуге напряжение выше напряжения источника: растянуть её, разбить на много коротких дуг в решётке, охладить. Понятно, что стринг на 500 В и аккумулятор на 48 В — задачи разного масштаба.
Если камера не справляется, дуга продолжает гореть внутри корпуса. Температура в её канале — тысячи градусов: контакты оплавляются, пластик обугливается, и выключенный на вид автомат продолжает проводить ток, пока не загорится сам. Плохие контакты и неподходящая коммутация на постоянном токе — главная тема статьи о пожарной безопасности станции на крыше.
Чем автомат постоянного тока устроен иначе
- Магнитное дутьё. Возле контактов стоят постоянные магниты. Их поле действует на дугу как на проводник с током и вталкивает её в дугогасительную решётку. Направление этой силы зависит от направления тока — отсюда требование к полярности.
- Несколько полюсов последовательно. Каждый полюс — отдельный разрыв цепи со своей камерой. Соединённые последовательно, они делят напряжение между собой. Типичная картина — порядка 250 В на полюс: двухполюсный аппарат рассчитан на 500–600 В, четырёхполюсный — на 1000 В. Точная цифра написана на корпусе.
- Увеличенный раствор контактов и камера большего объёма — чтобы дуге было куда растягиваться.
Обычный сетевой автомат на постоянном токе тоже иногда разрешён, но в очень узких рамках: если производитель допускает такое применение, то обычно на десятки вольт на полюс, и это прямо указано в каталоге. Нет такой строки — значит, нельзя.
Полярность: поляризованные и неполяризованные аппараты
У поляризованного автомата возле клемм стоят знаки «+» и «−», а на боковой стороне нарисована схема подключения. Если перепутать, магниты вытолкнут дугу не в решётку, а в обратную сторону, к механизму. При отключении под нагрузкой такой автомат может сгореть так же, как сетевой.
В цепи аккумулятора ток меняет направление: при заряде течёт в одну сторону, при разряде — в другую. Туда ставят только неполяризованные аппараты — в их паспорте сказано, что направление тока любое, — либо предохранители. В цепи панелей ток в рабочем режиме идёт в одну сторону, но при аварии в параллельной сборке обратный ток течёт как раз навстречу, так что и здесь неполяризованный аппарат надёжнее.
Как читать маркировку
| Что написано на корпусе | Что это значит | На что смотреть |
|---|---|---|
| DC 550V, DC 1000V | Наибольшее рабочее напряжение постоянного тока | Не ниже напряжения холостого хода стринга на морозе |
| C16, C20, C25 | Характеристика срабатывания и номинальный ток, А | Номинал — по расчёту ниже |
| 2P, 4P | Число полюсов | Указанное напряжение действует только при соединении полюсов по схеме производителя |
| Знаки «+», «−», схема | Аппарат поляризованный | Подключать строго по схеме; в цепь батареи не ставить |
| 6 кА, 10 кА | Наибольший ток короткого замыкания, который аппарат способен отключить | Важно для цепи аккумулятора |
| Только 230/400 В и знак «~» | Аппарат для переменного тока | В цепи постоянного тока не применять |
Расчёт для стринга панелей
Возьмём стринг из 10 панелей с напряжением холостого хода Voc 49,5 В и током короткого замыкания Isc 14 А.
Напряжение. При стандартных условиях 10 × 49,5 = 495 В. На морозе напряжение растёт: при −30 °C и коэффициенте −0,25 % на градус прибавка составит 55 × 0,25 = 13,75 %, то есть 495 × 1,1375 ≈ 563 В. Автомат с маркировкой 550 В уже не подходит, нужен аппарат на 600 В или, с запасом, на 1000 В.
Ток. В ясный день с отражением от облаков или снега панель выдаёт больше паспортного Isc, поэтому берут запас не меньше 25 %: 14 × 1,25 = 17,5 А, ближайший номинал — 20 А. Сверху номинал ограничен двумя цифрами: допустимым током кабеля и наибольшим номиналом защиты, который указан в паспорте панели (обычно 25–30 А).
Важная оговорка: в одиночном стринге автомат от короткого замыкания не защищает. Ток короткого замыкания панели всего на несколько процентов выше рабочего — например, 14 А против 13,2 А. Автомат на 20 А такого «короткого» не заметит. В цепи одного-двух стрингов он работает как выключатель, а защищать начинает только в параллельной сборке из трёх и более цепочек, когда в повреждённую течёт ток остальных. Этот случай разобран в статье о предохранителях в стрингах.
И ещё одно: в цепи панелей разрывают оба проводника, плюс и минус. Массив панелей у современных инверторов от земли изолирован, и разрыв одного полюса оставляет второй под напряжением относительно земли.
Цепь аккумулятора: низкое напряжение, большие токи
У батареи на 48 В с дугой справиться проще, зато токи на порядок выше. Инвертор мощностью 5 кВт при 48 В потребляет 5000 ÷ 48 ≈ 104 А, с учётом КПД 95 % — около 110 А, а при разряженной батарее на 44 В — уже 5000 ÷ 44 ÷ 0,95 ≈ 120 А. Номинал защиты — 125–160 А; точное значение и сечение кабеля даёт руководство инвертора.
Вторая особенность — ток короткого замыкания. Литиевая батарея способна кратковременно выдать тысячи ампер, и аппарат должен суметь такой ток отключить. Маленький модульный автомат с отключающей способностью в несколько килоампер здесь может не справиться, поэтому в цепи батареи часто ставят предохранители с высокой отключающей способностью или автоматы в литом корпусе. У высоковольтных батарей на сотни вольт блок защиты входит в состав самой батареи — о различиях читайте в статье про низковольтные и высоковольтные аккумуляторы.
Автомат, разъединитель или предохранитель
| Цепь | Что ставят | Почему |
|---|---|---|
| Один-два стринга на вход инвертора | Разъединитель постоянного тока; часто он уже встроен в инвертор | Защищать не от чего, нужен только способ безопасно отключить |
| Три и более стрингов параллельно | Предохранители в каждом стринге и общий разъединитель | Обратный ток в повреждённый стринг |
| Батарея 48 В | Предохранитель или неполяризованный автомат на ток из руководства | Ток течёт в обе стороны, токи короткого замыкания велики |
| Выход инвертора, 230/400 В | Обычный автомат переменного тока и УЗО | Здесь ток уже переменный |
Разъединитель, он же выключатель нагрузки, умеет отключать рабочий ток, но не имеет расцепителя и сам не сработает. Держатель предохранителя, наоборот, вообще не выключатель: открывать его под током нельзя, сначала снимают нагрузку. Аппараты для обеих сторон собраны в разделе автоматические выключатели, а как они размещаются в корпусе — в статье о щите солнечной станции.
Частые вопросы
На системе 12 или 24 В тоже нужен специальный автомат?
Напряжение здесь небольшое, и некоторые сетевые автоматы производитель разрешает использовать на постоянном токе в таких пределах — это указано в каталоге. Если указания нет, берите аппарат с маркировкой для постоянного тока или предохранитель: токи в низковольтных системах большие, и дуга на них тоже возникает.
Можно ли отключать автомат постоянного тока под нагрузкой?
Да, он на это рассчитан. Но аппарат проживёт дольше, если сначала снять нагрузку: выключить инвертор или его автомат на стороне переменного тока, а уже потом размыкать цепь панелей.
В инверторе есть встроенный выключатель панелей. Нужен ли ещё один?
Для одного-двух стрингов необходимости нет. Отдельный разъединитель ставят, когда трасса длинная и хочется отключать кабель до ввода в дом, или когда инвертор висит в неудобном месте.
Что будет, если поставить обычный автомат «временно»?
Пока его не трогают, ничего. Опасность возникает при отключении под током или при аварии — то есть именно тогда, когда аппарат нужен. Проверять это на своей крыше не стоит.