Kuinka varmistaa modulaaristen BESS-ratkaisujen turvallinen ja tehokas käyttö pistoliitettävillä akkunapaliittimillä

Modulaaristen akkupohjaisten energiavarastojärjestelmien (BESS) käyttö kasvaa asuinrakennuksissa, teollisuudessa ja voimalaitoskäytössä. Useista toisiinsa liitetyistä akkumoduuleista koostuvat BESS-järjestelmät tarjoavat varavoimaa, jos pääverkko pettää. Lisäksi ne säätelevät energian huippukulutusta teollisuudessa ja tukevat uusiutuvien energialähteiden, kuten tuuli- ja aurinkoenergian, integrointia verkkoon. Vaikka niiden modulaarinen arkkitehtuuri helpottaa asennusta, mahdollistaa skaalautuvuuden ja tukee loppuun käytettyjen akkumoduulien tehokasta vaihtamista, suunnittelijoiden on oltava erityisen huolellisia akkunapaliittimien valinnassa.

Suunnittelijoiden on selvitettävä, että liittimet täyttävät uusimmat turvallisuus- ja suorituskykyvaatimukset ja että ne ovat kestäviä ja kustannustehokkaita. Lisäksi on varmistettava liittimen joustavuus suuntauksen suhteen ja kyky kestää useita kytkemis- ja irrotussyklejä. Samanaikaisesti niiden sähköinen kosketusvastus on pidettävä minimaalisena ylikuumenemisen estämiseksi. Käyttäjien turvallisuuden varmistamiseksi vaatimusten tarkistuslistaan tulisi sisällyttää myös sellaisia ominaisuuksia kuin suojaus käänteistä polariteettia vastaan ja täydellinen kosketussuojaus.

Tässä artikkelissa käsitellään BESS-moduulien liitettävyyteen liittyviä kysymyksiä. Sen jälkeen siinä esitellään ja näytetään, miten BESS-sovelluksiin suunniteltua Phoenix Contact -akkunapaliittimien sarjaa käytetään.

Akkunapaliittimien suorituskykyvaatimukset

Akkunapaliittimien suorituskykyvaatimukset ovat erilaisia asuin-, liike- ja voimalaitossovelluksissa (taulukko 1). Vaikka turvallisuus on etusijalla kaikissa tapauksissa, asuinrakennusten järjestelmät hyötyvät suuresta joustavuudesta. Huoltoon liittyvät näkökohdat ovat tärkeitä kaupallisissa BESS-toteutuksissa. Voimalaitosten BESS-asennuksissa joustavuuden painoarvo on vähäisempi, mutta nämä ovat kaiken kaikkiaan vaativimpia sovelluksia, joissa edellytetään nopeaa asennusta (vähäinen työaika), korkeaa turvallisuustasoa, alhaista vikaantumisastetta, alhaisia kustannuksia ja tehokasta huoltoa. Oikean liitäntäratkaisun valinta on ratkaisevan tärkeää erilaisien suorituskykyvaatimuksien täyttämiseksi.

Taulukko 1: BESS-liittimen suorituskykyyn kohdistuu eri sovelluksissa erilaiset vaatimukset. Sopiva akkunapaliitin voi täyttää kaikkien kolmen sovelluskategorian vaatimukset. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Kaapelikengät ovat yleinen tapa liittää akkumoduulit BESS-järjestelmässä (kuva 1). Kaapelikenkäliittimet ovat suhteellisen edullisia, mutta niissä on useita haittoja, kun niitä käytetään BESS-järjestelmässä:

• niitä ei ole juurikaan standardoitu, ja niiden käyttöjoustavuus on puutteellista
• jokaisen kaapelikengän muttereiden manuaalinen liittäminen ja kiristäminen via aikaa ja voi aiheuttaa johdotusvirheitä
• jos muttereita ei kiristetä kunnolla, liitoksen resistanssi voi olla korkea, mikä johtaa ylikuumenemiseen
• kaapelikenkiä ei ole suojattu ympäristön vaikutuksilta. Kun niitä käytetään ulkokoteloissa, niiden altistuminen pölylle tai matalapaineisille vesiroiskeille sekä kondensaatiolle ja vesisuihkulle voivat heikentää kaapelikenkien luotettavuutta
• kaapelikengät eivät ole kosketusturvallisia eivätkä ne täytä nykyisten turvallisuusstandardien vaatimuksia, mikä aiheuttaa potentiaalisen sähköiskunvaaran asentajille ja huoltohenkilöstölle.

Kuva 1: Modulaarisen BESS-ratkaisun johdotus kaapelikenkäkokoonpanoilla on aikaa vievää ja altista johdotusvirheille, eivätkä kaapelikengät ole luonnostaan kosketusturvallisia. (Kuva: Phoenix Contact)

Suunnittelijat voivat ratkaista kaapelikenkien käyttöön liittyvät haitat käyttämällä Phoenix Contactin erityissuunniteltuja pistoliitettäviä akkunapaliittimiä, jotka täyttävät kuluttajien, kaupallisen alan / teollisuuden ja voimalaitosten BESS-järjestelmävaatimukset (kuva 2).

Kuva 2: BESS-käyttöön tarkoitetut pistoliitettävät akkunapaliittimet ratkaisevat kaapelikenkiin liittyvät rajoitukset ja täyttävät kuluttaja-, teollisuus- ja voimalaitosjärjestelmien suorituskykyvaatimukset. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Näitä pistoliittimiä on helppo käyttää ja liitos akkunapaan voidaan tehdä joustavasti joka suunnasta. Ne mahdollistavat näin nopean asennuksen, ja niiden kosketinresistanssi on alhainen. Ne sisältävät suojauksen käänteistä polariteettia vastaan ja ovat täysin kosketussuojattuja käyttäjän turvallisuuden takaamiseksi. IP65-luokiteltu kotelo suojaa pölyltä ja matalapaineisilta vesiroiskeilta joka suunnasta sekä tarjoaa suojauksen kondensaatiota ja vesisuihkuja vastaan.

Pistoliittimillä on kansainvälisen sähköteknisen komission (IEC) ylijännitekategorian III luokitus, ja ne kestävät transienttijännitteitä kiinteissä asennuksissa, kuten BESS-yksiköitä sisältävissä ulkokaapeissa. Pistoliittimien standardin IEC 60664-1:n mukainen likaantumisaste on 2, joten ne soveltuvat käytettäväksi ympäristöissä, joissa esiintyy vain ei-johtuvaa likaantumista, lukuun ottamatta satunnaista kondensaation aiheuttamaa tilapäistä johtavuutta.

Phoenix Contactin pistoliitettävät akkunapaliittimet ovat värikoodattuja ja mekaanisesti muotoiltuja virheellisen kytkennän estämiseksi. Ne voidaan kytkeä helposti kosketussuojattuun liitäntään, johon ne napsahtavat ja lukkiutuvat paikoilleen (kuva 3).

Kuva 3: Nämä pistoliitettävät akkunapaliittimet on mekaanisesti muotoiluja ja värikoodattuja virheellisen kytkennän estämiseksi. Kuuluu ”naksahdus”, kun ne työnnetään kosketussuojattuun pistorasiaan ja ne lukittuvat paikalleen. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Asennusta helpottaa ja nopeuttaa entisestään se, että pistoliittimiä voidaan kääntää tarvittaessa jopa 360˚. Näiden akkunapaliittimien käyttö voi säästää kolme neljäsosaa tyypillisestä asennusajasta kaapelikenkien käyttöön verrattuna. Tyypillisessä teollisessa tai kaupallisessa akkutelineessä voi olla 10–12 moduulia, kun taas voimalaitoksen kontissa sijaitsevassa BESS-järjestelmässä on satoja tai tuhansia akkumoduuleja. Erityissuunnitellut akkunapaliittimet tarjoavat tällaisissa sovelluksissa huomattavat asennusaika- ja kustannussäästöt kaapelikenkiin verrattuna.

Näillä pistoliitettävillä akkunapaliittimillä on alhainen kosketinresistanssi, ja ne mahdollistavat luotettavan ja turvallisen käytön, koska ne sisältävät positiiviset lukitusmekanismit, jotka estävät tahattoman irrotuksen (kuva 4). Ne on luokiteltu 1500 voltin tasavirralle (V_DC), 120 ampeerille (A) ja yli 100 kytkemis-/irrotussyklille ≤ 75 newtonin (N) kytkemisvoimalla ja ≥ 10 N:n irrotusvoimalla.

Kuva 4: Nämä pistoliitettävät akkunapaliittimet sisältävät positiivisen lukitusmekanismin: vasemmalla (A) lukitusmekanismi/avausvipu näkyy lukittuna; keskellä (C) pari on irrotettu; pari irrotetaan liu'uttamalla lukitusmekanismia (oikealla, B) eteenpäin kohti pariliitäntää. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Esimerkkejä akkunapaliittimistä

Phoenix Contactin akkunapaliitinjärjestelmä koostuu kaapeliliitinpareista ja paneeliin kiinnitettävistä liittimistä, joissa on hopeapinnoitetut koskettimet. Näiden kosketinresistanssi on yhteensä ≤5 milliohmia (mΩ). Pistoliittimet on luokiteltu akkusovelluksia koskevan uusimman UL-standardin UL 4128 mukaan. Ennen tätä standardia useimmat akkuliittimet luokiteltiin UL 1977 -standardin mukaisesti, joka on yleisempi standardi enimmäisjänniteluokituksella 1000 V_DC. Phoenix Contactin akkunapaliittimet on luokiteltu 1500 V_DC:n jännitteelle, ja ne täyttävät UL 4128 -standardin vaatimukset. Uusimman UL 4128 -standardin (lueteltu alla) ohella nämä akkunapaliittimet täyttävät myös BESS-järjestelmään liittyvien tärkeiden kansainvälisten standardien vaatimukset. Niihin kuuluvat:

• IEC 61984. Liittimet. Turvallisuusvaatimukset ja testit
• IEC 62933. Sähköenergian varastointijärjestelmät (EES)
• IEC 63066. Pienjännitteiset telakointiliittimet irrotettaville energian varastointiyksiköille
• UL 9540. Energian varastointijärjestelmiä ja -laitteita koskeva standardi
• UL 4128. Tutkimuskehys sähkökemiallisissa akkujärjestelmäsovelluksissa käytettävien kennojen ja kerrosten välisille liittimille

Kaapeliliittimet, kuten 1106307, ovat saatavilla mustana negatiivisia napoja varten, kun taas 1106306-liitin on saatavilla oranssina positiivisia napoja varten (kuva 5). Kaapeliliittimien puristusliitäntä soveltuu 16 mm²:n ja 25 mm²:n kaapelikokoja varten 22 mm:n kuorintapituudella. Liukulukitusmekanismi estää liitännän tahattomat irrotukset.

Kuva 5: Akkunapaliitinjärjestelmän kaapeliliitinpuoli on saatavilla oranssina positiivisille navoille (kuvassa yllä) ja mustana negatiivisille navoille. Se sisältää liukulukitusmekanismin (yllä olevan liittimen oikealla sivulla), joka estää liitännän tahattomat irrotukset. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Sen lisäksi, että paneeliin kiinnitettävät akkunapaliittimet täyttävät asentajien ja järjestelmäintegraattorien tekniset vaatimukset, ne tarjoavat BESS-järjestelmien suunnittelijoille joustavuutta valita järjestelmään joko kisko- tai ruuvikiinnitys (kuva 6). Kaapeliliittimien tapaan paneeliin kiinnitettäviä liittimiä tarjotaan oransseina positiivisia napoja varten (valittavissa kiskokiinnitys, kuten 1130816, tai ruuvikiinnitys, kuten 1106303) ja mustina negatiivisia napoja varten (valittavissa kiskokiinnitys, esimerkiksi 1130814, tai ruuvikiinnitys, kuten 1106304).

Kuva 6: Paneeliin kiinnitettävä osa akkunapaliittimestä on saatavana kisko- (vasemmalla) tai ruuvikiinnitystyyppisellä (oikealla) järjestelmäliitäntävaihtoehdolla. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Akkunapaliitinjärjestelmän suorituskykyominaisuuksien ja -etujen yhteenveto:

• 75 % nopeampi asennusaika kaapelikenkiin verrattuna, laskee asennuskustannuksia
• värikoodaus polariteetin tunnistamista varten:
  • oranssi (+) positiivinen
  • musta (-) negatiivinen
• mustilla ja oransseilla liitinpareilla on erilaiset liitäntäpinnat virheellisen liittämisen estämiseksi
• positiivinen lukitusmekanismi estää tahattomat irrotukset
• kaapeliliittimissä on puristusliitännät 16 mm²:n ja 25 mm²:n johtokokoja varten
• kytkettyä liitinjärjestelmää voidaan kiertää 360°, mikä helpottaa asennusta
• luokiteltu 100 kytkemis- ja irrotussykliä varten ≤75 N:n kytkemisvoimalla ja ≥10 N:n irrotusvoimalla
• täysin kosketussuojattu rakenne takaa käyttäjän turvallisuuden
• IP65-luokiteltu kotelo suojaa ympäristön vaikutuksilta
• hopeapinnoitteiset koskettimet, joiden kosketinresistanssi on ≤5 mΩ, ja luotettava liitäntärajapinta
• IEC-luokitus 120 A ja 1500 V_DC
• toimintalämpötila-alue: -40 °C ... +125 °C.

Suunnittelu- ja sovellushuomioita

Turvallisen ja luotettavan toiminnan varmistamiseksi suunnittelijoiden ja asentajien on otettava huomioon useita seikkoja pistoliitettäviä akkunapaliitinjärjestelmiä käytettäessä:

• Liittimiä ei saa kytkeä eikä irrottaa kuormitettuina.
• Liitin on työnnettävä kokonaan vastakappaleeseen ja lukittava ennen kuin siihen kytketään virta.
• Normaalikäytössä liitin on lämmin. Korkeissa ympäristölämpötiloissa nämä liittimet voivat lämmetä vieläkin enemmän. Jos liitintä aiotaan käyttää korkeissa ympäristölämpötiloissa, saatetaan tarvita DIN EN ISO 13732-1:2008-12 -standardin kaltaisia palovammavaroituksia.
• Käyttämättömiin liittimiin on asetettava suojahattu.
• Kaapelikokoonpanon liittimiin kohdistuva vetokuormitus ei saa ylittää spesifikaation ylärajaa.

Yhteenveto

BESS-järjestelmien käyttö kasvaa ja niillä halutaan taata luotettava tehonsaanti ja sopeutua uusiutuvien energialähteiden käyttöön. Samalla suunnittelijoiden on kiinnitettävä erityistä huomiota näiden modulaaristen akkujärjestelmien akkunapaliittimiä koskeviin vaatimuksiin. Pistoliitettäviä akkunapaliittimiä käyttämällä suunnittelijat voivat täyttää keskeiset turvallisuutta ja suorituskykyä koskevat vaatimukset ja tukea samalla kotitalouksien, kaupallisten/teollisten ympäristöjen ja voimalaitosten BESS-asennusten luotettavuus-, skaalautuvuus-, huolto-, ympäristö- ja kustannusvaatimuksia.

Suositeltavaa luettavaa

1. BESS: Proaktiivinen energianhallintaratkaisu