Наскільки безпечна система низьковольтного зберігання енергії для побутового використання?

Розуміння реальностей безпеки низької напруги для побутових систем зберігання енергії

Чому 'низька напруга' не означає 'відсутність ризику': фізіологія людини та поведінка струму при короткому замиканні

Системи низької напруги можуть працювати при напрузі менше 50 вольт змінного струму або 120 вольт постійного струму відповідно до вимог NEC, але не дозволяйте цим цифрам вводити когось в оману щодо безпеки. Наш організм дивовижно сильно реагує на електрику навіть при малих рівнях. Уже 5 міліампер, що проходять через шкіру, можуть викликати скорочення м'язів, через що людина може залишитися прикутою до оголеного дроту. А коли струм досягає близько 50 міліампер? Цього достатньо, щоб серйозно порушити ритм серця. Ці проблеми виникають переважно тоді, коли відбувається збій у системі. Задумайтесь, що станеться, якщо вийде з ладу ізоляція або виникне замикання на землю на поверхнях, таких як вологі бетонні підлоги чи металеві робочі верстаки. Раптово навіть система постійного струму 48 вольт стає небезпечною, адже опір контакту знижується до небезпечного рівня близько 480 омів, дозволяючи протікати струму в 100 міліампер. Також існує фактор тепла, якого ніхто не очікує. Дугові розряди в таких системах низької напруги можуть миттєво підвищувати температуру понад 3500 градусів Цельсія, підпалюючи все навколо. Тож забудьте про те, що люди думають щодо категорій напруги. Якісні практики ізоляції, правильні методи заземлення та швидка реакція на пошкодження — це не просто рекомендації для електриків, які працюють із цими системами. Це абсолютна необхідність, незалежно від того, відповідає джерело живлення традиційним визначенням високої напруги чи ні.

Порогові значення напруги в побутових умовах: 48 В пост. струму як практичний орієнтир для низьковольтних систем зберігання енергії

У сфері побутового зберігання енергії все частіше обирають 48 В пост. струму як стандарт безпеки, що поєднує високу густину потужності з природно нижчим рівнем ризику. Ця напруга знаходиться нижче порогу 60 В пост. струму, при якому міжнародні стандарти, такі як IEC 61140, вимагають додаткових захисних заходів. У порівнянні з високовольтними альтернативами, системи 48 В забезпечують помітні переваги в плані безпеки:

Класифікація ланцюга NEC Class 2 додатково підтримує цей підхід, обмежуючи вихідну потужність до 100 Вт, що зменшує можливу енергію пошкодження та сприяє безпечнішим установкам, придатним для самостійного монтажу, і при цьому задовольняє основні потреби резервного живлення в домашніх умовах.

Термальний вибіг та пожежна безпека в акумуляторах низької напруги для побутового використання

Важливість хімічного складу: стійкість LiFePO₄ та NMC до термічного вибігу в екстремальних умовах (UL 9540A)

Хімічний склад акумуляторів має велике значення для їхньої безпеки під час встановлення в будинках із системами низьковольтного накопичення енергії. Літій-залізо-фосфат, або LiFePO4, як його часто називають, не потрапляє в стан термального некерованого розгону через свою стабільну олівинову кристалічну структуру. Ці акумулятори досить добре витримують навіть температури понад 260 градусів Цельсія, що становить близько 500 градусів за Фаренгейтом. Навпаки, нікель-марганець-кобальтові елементи схильні до вибухового руйнування, коли температура досягає приблизно 200 градусів Цельсія. У разі виходу з ладу ці NMC-елементи можуть досягати спекотних температур понад 900 градусів Цельсія, іноді досягаючи 1652 градусів за Фаренгейтом у найгірших сценаріях. Випробування за стандартом UL 9540A підтверджують це: як правило, елементи LiFePO4 просто виходять з ладу там, де перебувають, не поширюючи проблеми далі. Проте модулі NMC у восьми з десяти випадків під час тестування демонструють поширення несправностей через всю систему. Оскільки більшість побутових установок використовують пасивні методи охолодження та мають обмежений простір, власна стабільність LiFePO4 робить його кращим вибором для застосування в низьковольтних системах накопичення енергії (ESS). Це означає, що власникам будинків не потрібні складні активні системи теплового управління для безпечного функціонування.

Конструкція корпусу та керування поширенням у компактних системах низької напруги

Якісний дизайн корпусу має велике значення для запобігання поширенню несправностей у невеликих побутових системах зберігання енергії. Сучасні багатошарові конструкції зазвичай включають керамічні термобар'єри разом із каналами вентиляції, що активуються під тиском, які допомагають правильно виводити продукти згоряння. Якщо температура всередині стає надто високою або тиск перевищує безпечний рівень, спеціальні вогнегасні клапани виводять гарячі гази вниз, подалі від інших частин системи. Одночасно інтумесцентні ущільнення починають розширюватися, утворюючи бар'єри навколо пошкоджених модулів. Випробування показали, що за наявності цих функцій пожежі поширюються менш ніж на 5% сусідніх елементів під час теплових подій. Поєднання цього з постійним контролем температури в різних групах елементів дає інженерне рішення, яке обмежує проблеми в межах безпечних норм UL. Це працює навіть у тісних приміщеннях, де такі системи часто встановлюються, наприклад, у комунальних кімнатах або кутах гаражів.

Критичні функції безпеки: система управління акумулятором (BMS), моніторинг та раннє виявлення несправностей

Поза напругою: виявлення роздування, корозії та несправностей з'єднань у системах низької напруги (ESS)

Аналіз рівнів напруги окремо — цього просто недостатньо, коли мова йде про безпеку в системах низьковольтного накопичення енергії. Насправді важливим є те, що відбувається на фізичному рівні, задовго до того, як будь-які електричні проблеми виявляться на приладах. Візьмемо, наприклад, розпухання елементів. Коли акумуляторні банки починають розширюватися, це означає, що всередині накопичується газ і виникає механічне напруження, що може призвести до розриву, якщо це не контролювати. Сучасні системи тепер поєднують чутливі до зусиль датчики з ретельним контролем напруги, щоб вчасно виявляти такі проблеми. Ще одна серйозна проблема? Корозія у точках з'єднання. Це збільшує опір між компонентами, що призводить до гарячих зон, які можуть не спрацьовувати на звичайні сигнали тривоги за напругою, але все одно становлять серйозну пожежну небезпеку для навколишніх матеріалів. І не забувайте також про слабкі з'єднання. Вони створюють малі електричні дуги, що викликають раптові сплески температури буквально перед тим, як ситуація вийде з-під контролю. Сучасні системи управління батареями дійсно виявляють усі ці проблеми за допомогою передових методів, таких як термографія в кількох точках та так звана спектроскопія імпедансу. Ці системи можуть виявити навіть незначні зміни опору близько 15%. Чому це так важливо? Згідно зі звітом Національної асоціації протипожежного захисту за 2023 рік, майже чверть аварій систем накопичення енергії в житлових будинках було пов’язано з фізичним старінням матеріалів, а не з простими проблемами перенапруги чи перевантаження за струмом.

Основні можливості BMS для побутових низьковольтних систем

Ефективна побутова система BMS виходить далеко за межі базового регулювання напруги. Вона має забезпечувати:

• Відстеження кількох параметрів у реальному часі , включаючи градієнти температури між елементами, опір ізоляції, струм витоку та метрики стану здоров’я
• Алгоритми прогнозування відмов , навчені на історичних патернах деградації для передбачення закінчення терміну служби або початку теплового навантаження
• Резервні апаратні роз’єднувачі , здатні ізолювати несправності протягом кількох мілісекунд після виявлення аномального підвищення температури або зміни імпедансу
• Діагностика з інтеграцією до хмари , що забезпечує віддалені сповіщення та практично корисні рекомендації через безпечні IoT-протоколи

Старі системи контролю напруги більше не відповідають сучасним вимогам порівняно з новими системами, які постійно відстежують процеси всередині акумуляторів. Ці сучасні рішення контролюють такі параметри, як незначні зміни внутрішнього опору та розподіл тепла між різними частинами акумуляторної батареї. Справжню цінність має можливість виявлення проблем на ранніх етапах. Наприклад, якщо система виявить розпухання елемента, вона може автоматично зменшити подачу потужності через цю ділянку ще до того, як станеться аварія. Більшість відмов акумуляторів також не виникають раптово. Дані галузі показують, що приблизно 78% відмов розвиваються повільно протягом періодів від кількох тижнів до кількох місяців. Такий детальний моніторинг кардинально змінює підхід до обслуговування акумуляторів — замість усунення несправностей після їх виникнення ми переходимо до передбачення проблем задовго до того, як вони стануть серйозними.

Сертифікація, стандарти встановлення та екологічні заходи захисту

Отримання належних сертифікацій та дотримання правил монтажу має важливе значення для безпечного впровадження систем низьковольтного зберігання енергії. Незалежні сертифікації, такі як UL 9540 щодо безпеки систем, UL 1973 щодо продуктивності елементів та NFPA 855 щодо протипожежного захисту, надають проектувальникам стороннє підтвердження того, що їхні системи можуть впоратися з несправностями, не виходячи з ладу. Під час встановлення цих систем електромонтери також повинні дотримуватися місцевих нормативів. В Північній Америці вони дотримуються NEC Article 706, тоді як в інших частинах світу застосовується IEC 62477. Ці стандарти передбачають використання схвалених компонентів, кваліфікованих працівників і різноманітних перевірок після встановлення, включаючи перевірку опору ізоляції, забезпечення достатнього простору для вентиляції та підтвердження цілісності оболонок. З огляду на загальну картину, виробники повинні турбуватися про те, що відбувається з їхньою продукцією на довгострокову перспективу. Компанії, які дотримуються стандартів ISO 14001, виробляють більш екологічну продукцію та мають програми правильного утилізації старих пристроїв. Згідно з останніми галузевими статистичними даними минулого року, приблизно три чверті всіх проблем із безпекою після експлуатації виникають через неправильну утилізацію цих систем. Саме тому управління тим, як ці системи потрапляють на ринок, функціонують і зрештою покидають його, має бути частиною будь-якого плану безпеки з самого початку.

ЧаП

Що вважається низькою напругою в системах зберігання енергії для домашніх господарств?

Низька напруга в системах зберігання енергії для домашніх господарств, як правило, означає ті, що працюють при напрузі нижче 50 вольт змінного струму або 120 вольт постійного струму, згідно з рекомендаціями NEC.

Чому 48 В постійного струму часто вибирають для побутових систем зберігання енергії?

48 В постійного струму зазвичай обирають, оскільки це забезпечує баланс між густотою потужності та безпекою. Це значно зменшує ризик ураження струмом і енергію дугового розряду порівняно з системами вищої напруги.

Як хімія акумуляторів впливає на тепловий пробій і пожежну безпеку?

Акумулятори типу LiFePO4 менш схильні до теплового пробою через їхню стабільну структуру порівняно з елементами NMC, які можуть небезпечно нагріватися під час термічного навантаження.

Яку роль відіграє система управління акумулятором (BMS) у забезпеченні безпеки?

BMS має вирішальне значення для контролю багатьох параметрів, виявлення ранніх несправностей і забезпечення безпечного функціонування шляхом швидкого відключення несправних ділянок.