Modulrendszerű akkumulátoros energiatároló rendszerek biztonságos és hatékony kiépítése bedugható akkumulátor-póluscsatlakozók használatával

A modulrendszerű akkumulátoros energiatároló rendszereket egyre elterjedtebben használják a lakossági, ipari és közüzemi létesítményekben. A több összekapcsolt akkumulátormodulból álló akkumulátoros energiatároló rendszerek (a battery energy storage system angol kifejezésből alkotott betűszóval BESS-ek) biztonsági tartalékenergiát biztosítanak a fő hálózat meghibásodása esetén, szabályozzák az energia-csúcsfelhasználást ipari környezetben, és támogatják a megújuló energiaforrások, például a szél- és napenergia hálózatba való bejuttatását. Miközben modulrendszerű felépítésük egyszerűsíti a kiépítést, lehetővé teszi a méretezhetőséget, és támogatja az elhasználódott akkumulátormodulok hatékony cseréjét, a tervezőknek különösen körültekintően kell eljárniuk az akkumulátor-póluscsatlakozók kiválasztásakor.

A tervezőknek a legújabb biztonsági és teljesítményszabványoknak való megfelelés, valamint a strapabírás és a költségtakarékosság mellett figyelembe kell venniük azt is, mennyire rugalmasan változtatható a csatlakozó iránya, valamint azt, hogy a csatlakozó több bedugás-kihúzási ciklust is elviseljen, és emellett a túlmelegedés megelőzése érdekében a lehető legkisebb villamos érintkezési ellenállása legyen. A felhasználók biztonsága érdekében az olyan funkcióknak, mint a fordított polaritás elleni védelem és a teljes érintésvédelem, szintén szerepelniük kell a követelmények listáján.

Ez a cikk az akkumulátoros energiatároló rendszerek moduljainak csatlakoztatásával kapcsolatos kérdéseket tárgyalja. Ezután bemutatja, hogyan kell alkalmazni a Phoenix Contact cég bedugható akkumulátor-póluscsatlakozó termékcsaládját, amelyet kifejezetten akkumulátoros energiatároló rendszerekhez terveztek.

Az akkumulátor-póluscsatlakozókra vonatkozó teljesítménykövetelmények

Az akkumulátor-póluscsatlakozókkal szembeni teljesítményelvárások attól függően változnak, hogy lakossági, kereskedelmi vagy közüzemi felhasználásról van-e szó (1. táblázat). Bár a biztonság mindenki számára elsődleges fontosságú, a lakossági felhasználásoknál előnyös a nagyfokú rugalmasság. A kereskedelmi akkumulátoros energiatároló rendszerek esetében fontosak a karbantartási szempontok. A közüzemi méretű akkumulátoros energiatároló rendszerek kisebb hangsúlyt helyeznek a rugalmasságra, de összességében ez a felhasználási terület támasztja a legmagasabb követelményeket, mert elvárás a gyors kiépíthetőség (kevés munkaidő), a nagyfokú biztonság, az alacsony meghibásodási arány, az alacsony költségek és a hatékony karbantartás. A megfelelő csatlakoztatási megoldás kiválasztása kritikus fontosságú a teljesítménnyel szemben támasztott elvárások kielégítéséhez.

1. táblázat: A különböző felhasználási területek eltérő követelményeket támasztanak az akkumulátoros energiatároló rendszerek csatlakozóinak (BESS-csatlakozók) teljesítményével szemben. Az igazán jó akkumulátor-póluscsatlakozó mindhárom felhasználási terület igényeinek megfelel (kép: Phoenix Contact)

Az akkumulátoros energiatároló rendszerekben lévő akkumulátormodulok összekapcsolására általánosan elterjedt módszerként kábelsarus kábeleket használnak (1. ábra). A kábelsarus csatlakozók viszonylag olcsók, de számos hátrányuk van, ha akkumulátoros energiatároló rendszerekben használják őket:

• Nem kellő mértékben szabványosítottak, és nem elég rugalmasak az egyes felhasználási területekhez
• Az egyes csatlakozósaruk anyáinak kézi csatlakoztatása és meghúzása időigényes folyamat, és magában hordozza a kábelezési hibák lehetőségét
• Ha az anyák nincsenek megfelelően meghúzva, a csatlakozásnak nagy lehet az ellenállása, ami túlmelegedést okozhat
• A csatlakozósaruk nincsenek védve a környezettől. Kültérre szánt tokozás esetén a csatlakozósaruk megbízhatóságát csökkentheti a por vagy kisnyomású vízsugár, valamint a páralecsapódás és a vízpermet
• A csatlakozók nem érintésvédettek, és nem felelnek meg a jelenlegi érintésvédelmi szabványoknak, ami lehetséges áramütésveszélyt jelent a kiépítő és a karbantartó személyzet számára

1. ábra: A modulrendszerű akkumulátoros energiatároló rendszer kábelsarukkal történő kábelezése időigényes, és magában hordozza a kábelezési hibák lehetőségét, a csatlakozósaruk pedig nem érintésvédettek (kép: Phoenix Contact)

A sarus csatlakozók hátrányainak kiküszöbölésére a tervezők használhatják a Phoenix Contact speciálisan tervezett, bedugható akkumulátor-póluscsatlakozóit, amelyek megfelelnek a lakossági, kereskedelmi/ipari és közüzemi akkumulátoros energiatároló rendszerek által támasztott követelményeknek is (2. ábra).

2. ábra: Az akkumulátoros energiatároló rendszerekhez tervezett akkumulátor-póluscsatlakozók kiküszöbölik a sarus csatlakozók korlátait, és egyaránt megfelelnek a lakossági, ipari és közüzemi berendezések által támasztott teljesítménykövetelményeknek is (kép: Phoenix Contact)

Ezek a csatlakozók jó hozzáférhetőséget és rugalmasságot kínálnak, hogy a gyors kiépítés érdekében bármilyen irányból csatlakoztatni lehessen őket az akkumulátorpólusokhoz, és kicsi az érintkezési ellenállásuk. A kezelő biztonsága érdekében fordított polaritás elleni védelemmel vannak ellátva, és teljesen érintésvédettek. Az IP65 védettségű tok védelmet nyújt a por behatolása, valamint a páralecsapódás és a vízpermet ellen, és a bármely irányból érkező alacsony nyomású vízsugárral szemben.

A csatlakozók megfelelnek a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) III. kategóriája szerinti túlfeszültség-védelmi besorolásnak, és a helyhez kötött berendezésekben, például az akkumulátoros energiatároló rendszereknek helyet adó kültéri szekrényekben képesek ellenállni a tranziens feszültségeknek. Az IEC 60664-1 szerint 2. szennyezésvédelmi fokozatúak, így olyan környezetben használhatóak, ahol csak nem vezető szennyeződés fordul elő, kivéve, hogy időnként előfordulhat a páralecsapódás okozta átmeneti vezetőképesség.

A Phoenix Contact bedugható akkumulátor-póluscsatlakozói színkódoltak és mechanikusan reteszeltek a hibás kábelezés megakadályozása érdekében, valamint egyszerűen bedughatók az érintésvédett aljzatba, ahol a helyükre pattannak, és ott rögzülnek (3. ábra).

3. ábra: Ezek a bedugható akkumulátor-póluscsatlakozók a hibás kábelezés megakadályozása érdekében mechanikusan reteszeltek és színkódoltak. Amikor az érintésvédett aljzatba dugják őket, és a helyükre rögzülnek, egy kattanás hallható (kép: Phoenix Contact)

A szerelést tovább egyszerűsíti és gyorsítja, hogy a csatlakozók szükség esetén 360°-ban elforgathatóak. Ezeknek az akkumulátor-póluscsatlakozóknak a használatával a jellemzően szükséges szerelési idő háromnegyedét lehet megtakarítani a sarus csatlakozók használatához képest. Egy jellegzetes ipari vagy kereskedelmi akkumulátorállványon 10–12 modul lehet, míg egy konténerben elhelyezett, közüzemi méretű akkumulátoros energiatároló rendszer több száz vagy több ezer akkumulátormodulból áll. Az ilyen felhasználási területeken a speciálisan tervezett akkumulátor-póluscsatlakozók használatával jelentős szerelésiidő- és költségmegtakarítás érhető el a sarus csatlakozók használatához képest.

Ezeknek a bedugható akkumulátor-póluscsatlakozóknak kicsi az érintkezési ellenállásuk, és magas szintű megbízhatóságot és rendkívül biztonságos működést nyújtanak, beleértve a véletlen szétkapcsolódást megakadályozó kézi reteszelőmechanizmust is (4. ábra). A csatlakozók 1500 V egyenfeszültségre (V_DC), 120 A áramerősségre és több mint 100 bedugás-kihúzási ciklusra vannak méretezve, ≤ 75 N bedugási és ≥10 N kihúzási erővel.

4. ábra: Ezek a bedugható akkumulátor-póluscsatlakozók kézi reteszelési mechanizmussal vannak ellátva: a bal oldalon a reteszelőmechanizmus kioldókarja (A) reteszelt állapotban látható; középen (C) a csatlakozópár széthúzva látható; a csatlakozó széthúzásához csúsztassa a reteszelőmechanizmus kioldókarját (jobbra, B) a csatlakozófelület felé (kép: Phoenix Contact)

Példák akkumulátor-póluscsatlakozóra

A Phoenix Contact cég akkumulátor-póluscsatlakozó rendszere ezüstözött érintkezőkkel ellátott kábelcsatlakozó–panelcsatlakozó párokból áll, amelyek teljes érintkezési ellenállása ≤5 mΩ. A csatlakozók az UL 4128, az akkumulátoros alkalmazásokra vonatkozó legújabb UL-szabvány szerint vannak minősítve. Ezt a szabványt megelőzően a legtöbb akkumulátorcsatlakozót az UL 1977 szabvány szerint minősítették, amely egy általánosabb szabvány, 1000 V legnagyobb egyenfeszültségre (V_DC) méretezve. A Phoenix Contact akkumulátor-póluscsatlakozói 1500 V névleges egyenfeszültségre (V_DC) vannak méretezve, így megfelelnek az UL 4128 szabványnak. Amellett, hogy a legújabb UL 4128 szabványnak (lásd alább) megfelelnek, ezek az akkumulátor-póluscsatlakozók megfelelnek az akkumulátoros energiatároló rendszerekre vonatkozó fontos nemzetközi szabványok követelményeinek is, többek között az alábbiaknak:

• IEC 61984 – Csatlakozók – Biztonsági követelmények és vizsgálatok
• IEC 62933 – Villamosenergia-tároló rendszerek (EES)
• IEC 63066 – Kisfeszültségű dokkolócsatlakozók cserélhető energiatároló egységekhez
• UL 9540 – Az energiatároló rendszerekre és berendezésekre vonatkozó szabvány
• UL 4128 – Az elektrokémiai akkumulátorrendszerekben használt cellaközi és rétegközi csatlakozókra vonatkozó vizsgálati útmutató

Az 1106307 jelű kábelcsatlakozók fekete színűek a negatív pólusokhoz, míg az 1106306 jelű kábelcsatlakozók narancssárga színűek a pozitív pólusokhoz (5. ábra). A kábelcsatlakozókon lévő rányomásos kapocspont 16 mm² – 25 mm² keresztmetszetű, 22 mm hosszan lecsupaszított kábelek fogadására alkalmas. A csúszó reteszelőmechanizmus megakadályozza a véletlen szétkapcsolódást.

5. ábra: Az akkumulátor-póluscsatlakozó rendszer pozitív pólusokhoz való kábelcsatlakozói narancssárga (a fenti képen), a negatív pólusokhoz valók fekete színűek. A kábelcsatlakozó el van látva egy csúszó reteszelőmechanizmussal (a fenti csatlakozó jobb oldalán), amely megakadályozza a véletlen szétkapcsolódást (kép: Phoenix Contact)

A panelre szerelhető akkumulátor-póluscsatlakozók amellett, hogy megfelelnek a szerelők és rendszer-összeépítők által támasztott műszaki követelményeknek, lehetővé teszik az akkumulátoros energiatároló rendszerek tervezőinek, hogy rugalmasan válasszanak a sínes és a csavaros rögzítés között (6. ábra). A kábelcsatlakozókhoz hasonlóan narancssárga színűek a pozitív pólusokhoz való, panelre szerelhető csatlakozók (választék: sínes rögzítéssel, amilyen például a 1130816 jelű típus, vagy csavaros rögzítéssel, amilyen például 1106303 jelű típus), és fekete színűek a negatív pólusokhoz valók (választék: sínes rögzítéssel, amilyen például a 1130814 jelű típus, vagy csavaros rögzítéssel, amilyen például a 1106304 jelű típus).

6. ábra: A panelre szerelhető akkumulátor-póluscsatlakozó kapható sínes (balra) és csavaros (jobbra) rögzítésű rendszercsatlakozási lehetőséggel (kép: Phoenix Contact)

Az akkumulátor-póluscsatlakozó rendszer teljesítményjellemzőinek és előnyeinek összefoglalása:

• 75%-kal gyorsabb szerelési idő a sarus csatlakozókhoz képest, kisebb szerelési költségek
• Színkódolás a polaritás azonosításához:
  • narancssárga (+) pozitív
  • fekete (–) negatív
• A fekete és narancssárga csatlakozópárok eltérő csatlakozófelülettel rendelkeznek a hibás csatlakoztatás elkerülése érdekében
• Kézi reteszelőmechanizmus akadályozza meg a véletlen szétkapcsolódást
• A kábelcsatlakozók 16 mm² – 25 mm² keresztmetszetű vezetékekhez alkalmasak
• A párosított csatlakozók a szerelés egyszerűsítése érdekében 360°-ban elforgathatóak
• 100 bedugás-kihúzási ciklusra méretezve, ≤75 N bedugási és ≥10 N kihúzási erővel
• Teljesen érintésvédett kialakítás a kezelő biztonsága érdekében
• Az IP65 besorolású tokozás védelmet nyújt a környezeti hatásokkal szemben
• Ezüstözött érintkezők a ≤5 mΩ érintkezési ellenállás és a megbízható csatlakozófelület érdekében
• IEC-minősítés: 120 A névleges áramerősség és 1500 V névleges egyenfeszültség (V_DC)
• Működési hőmérséklet-tartomány: –40 °C – +125 °C

Tervezési és elrendezési szempontok

A biztonságos és megbízható működés biztosítása érdekében a tervezőknek és a szerelőknek számos tényezőt figyelembe kell venniük a bedugható akkumulátor-póluscsatlakozó rendszerek használatakor:

• Áram alatt lévő csatlakozókat ne dugjon össze és ne húzzon szét.
• A csatlakozót teljesen be kell dugni és reteszelni kell, mielőtt áram alá helyezné.
• Normál üzemi körülmények között a csatlakozó meleg lesz. Magas környezeti hőmérséklet esetén a csatlakozók még jobban felmelegedhetnek. Ha a csatlakozót várhatóan magas környezeti hőmérsékleten használják, szükség lehet a DIN EN ISO 13732-1:2008-12 szabványban előírt égési figyelmeztetésekre.
• A nem használt csatlakozókra védősapkát kell helyezni.
• A kábel csatlakozóira ható húzóerő nem haladhatja meg a műszaki adatokban megadott felső határértéket.

Összegzés

Ahogy az akkumulátoros energiatároló rendszerek használata a megbízható energiaellátás biztosítása és a megújuló energiaforrásokhoz való alkalmazkodás érdekében egyre inkább elterjed, a tervezőknek kiemelt figyelmet kell fordítaniuk az ilyen modulrendszerű akkumulátorrendszerek akkumulátor-póluscsatlakozóira vonatkozó követelményekre. A bedugható akkumulátor-póluscsatlakozók használatával a tervezők megfelelhetnek az alapvető biztonsági és teljesítményre vonatkozó követelményeknek, miközben szem előtt tartják a lakossági, kereskedelmi/ipari és közüzemi akkumulátoros energiatároló rendszerek megbízhatósági, méretezhetőségi, karbantartási, környezetvédelmi és költségekkel kapcsolatos követelményeit is.

Ajánlott olvasnivaló

1. BESS: A Solution to Manage Energy Proactively (Akkumulátoros energiatároló rendszerek: megoldás az előre tervező energiagazdálkodásra)