כיצד להבטיח התקנות מודולריות בטוחות ויעילות באמצעות מחברי קוטבי סוללה תקיעים

השימוש במערכות אחסון אנרגיה בסוללות (BESS‏) מודולריות הולך וגדל בהתקנות במגורים, תעשייה ותשתיות. מורכבות ממספר מודולי סוללות מחוברים, מערכות BESS‏ מספקות כוח לגיבוי כאשר רשת החשמל הראשית נופלת, מווסתות את שיא השימוש באנרגיה במערכות תעשייתיות ותומכות בשילוב רשת החשמל עם מקורות אנרגיה מתחדשת כגון רוח ושמש. בעוד שהארכיטקטורה המודולרית שלהם מפשטת את ההתקנה, מאפשרת מדרגיות ותומכת בהחלפה יעילה של מודולי סוללה, המתכננים צריכים להיות זהירים במיוחד לגבי בחירתם של המחברים עבור קוטבי הסוללה.

לצד עמידה בתקני הבטיחות והביצועים העדכניים ביותר, כמו גם היותם עמידים ובעלי יחס עלות-תועלת מיטבי,המתכננים צריכים לקחת בחשבון את גמישות המחברים לצורך הכיווניות והיכולת לעמוד במחזורי תחיבה/הסרה רבים, תוך שמירה על התנגדות מגעים חשמליים מינימלית כדי למנוע התחממות-יתר. כמו כן, כדי להבטיח את בטיחות המשתמש, מאפיינים כמו הגנת היפוך קוטביות וחסינות-נגיעה מלאה חייבים להיות חלק מהדרישות החיוניות.

מאמר זה דן בבעיות הקשורות לחיבוריות מודולי BESS. לאחר מכן הוא מציג ומראה כיצד ליישם שורה של מחברי קוטבי סוללה תקיעים מבית Phoenix Contact המתוכננים עבור יישומי BESS.

דרישות ביצועים עבור מחברי קוטבי סוללה

ציפיות הביצועים עבור מחברי קוטבי סוללה הן שונות עבור יישומי מגורים, מסחר, תעשייה ותשתיות (טבלה 1). בעוד שהבטיחות היא בראש סדר העדיפויות של כולם, התקנות למגורים נהנות מרמות גבוהות של גמישות. שיקולי תחזוקה חשובים בתכני BESS מסחריים. התקנות BESS עבור תשתיות שמות פחות דגש על גמישות אך הן היישום התובעני ביותר, עם ציפייה להתקנה מהירה (זמן עבודה קצר), בטיחות גבוהה, שיעורי תקלות נמוכים, עלות נמוכה ותחזוקה יעילה. בחירת פיתרון חיבוריות נכון היא קריטית לעמידה בדרישות ביצועים שונות.

טבלה 1: ליישומים שונים יש דרישות שונות עבור ביצועי מחברי BESS. מחברי קוטבי סוללה נכונים יכולים לעמוד בדרישות של כל שלושת קטגוריות היישומים. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

מכללי חיווט עם נעלי כבל הם שיטה נפוצה לחיבור מודולי הסוללות ב- BESS (איור 1). מחברי נעל כבל הם זולים יחסית, אך יש להם מספר חסרונות בשימוש בהתקנה של BESS:

• הם סובלים מסטנדרטיזציה לקויה וחסרים גמישות יישום
• חיבור והידוק ידני של האומים בכל מחבר נעל כבל הוא תהליך שלוקח זמן ועלול להיות מועד לשגיאות חיווט
• אם האומים אינם מהודקים כראוי, לחיבור יכולה להיות התנגדות גבוהה, וכתוצאה מכך התחממות-יתר
• מחברי נעל כבל אינם מוגנים מהסביבה; כשהם משמשים במארזים חיצוניים, אמינות מחברי נעל כבל עלולה להיפגע עקב חשיפה לאבק או לסילוני מים בלחץ נמוך כמו גם עקב עיבוי ורסיסי מים
• מחברי נעל כבל אינם בטוחים מפני נגיעה ואינם עומדים בתקני הבטיחות העדכניים, ולכן מהווים סכנת מכת חשמל פוטנציאלית למתקינים ולאנשי תחזוקה

איור 1: חיווט של BESS מודולרי עם מכללי נעל כבל גוזל זמן ונוטה לשגיאות חיווט, ומחברי נעל כבל אינם בטוחים מפני נגיעה באופן אינהרנטי. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

כדי להתגבר על החסרונות של שימוש במחברי נעל כבל, המתכננים יכולים להשתמש במחברי קוטבי סוללה תקיעים מבית Phoenix Contact שתוכננו במיוחד ועומדים בדרישות של התקנות BESS לצרכנים, מסחר/תעשייה ותשתיות (איור 2).

איור 2: מחברי קוטבי סוללה תקיעים עבור BESS מתגברים על המגבלות של מחברי נעל כבל וועומדים בדרישות הביצועים של התקנות לצרכנים, תעשייה ותשתיות. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

מחברים אלו מציעים נגישות טובה וגמישות לחיבור לקוטבי הסוללות מכל כיוון לטובת התקנה מהירה ועם התנגדות מגעים נמוכה. הם כוללים הגנת היפוך-קוטביות והם חסינים מפני נגיעה במלואם לטובת בטיחות המפעיל. הבית בדירוג IP65 מעניק הגנה מפני חדירת אבק ומפני סילוני מים בלחץ נמוך מכל כיוון, ובנוסף הגנה מפני עיבוי ורסיסי מים.

למחברים יש דירוג מתח-יתר של ה- International Electrotechnical Commission‏ (IEC‏) בקטגוריה III והם מסוגלים לעמוד במתחים טרנזיינטיים בהתקנות קבועות כגון ארונות חיצוניים המכילים מערכות BESS‏. יש להם דרגת זיהום 2 לפי תקן IEC 60664-1, ההופכת אותם למתאימים לשימוש בסביבות שבהן מתרחש רק זיהום לא-מוליך, אך לעיתים עלול להתרחש מצב מוליכות זמני הנגרם עקב עיבוי.

מחברי קוטבי סוללה תקיעים מבית Phoenix Contact מקודדים מכנית ועם צבעים כדי למנוע הצלבת חוטים, וניתן פשוט לתקוע אותם לתוך שקע מוגן מפני נגיעה שבו הם נצמדים בקליק וננעלים במקומם (איור 3).

איור 3‏: מחברי קוטבי סוללה תקיעים מקודדים מכנית ועם צבעים כדי למנוע הצלבת חוטים. נשמע "קליק" כאשר הם נתקעים בתוך שקע מוגן מפני נגיעה וננעלים במקומם. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

מפשטים ומזרזים את ההתקנה עוד יותר, ניתן לסובב את המחברים עד °‏360‏ לפי הצורך. השימוש במחברי קוטבי סוללה אלו יכול לחסוך שלושה רבעים מזמן ההתקנה הטיפוסי הדרוש בהשוואה לשימוש במחברי נעל כבל. כונן סוללות טיפוסי עבור תעשייה או מסחר יכול להכיל 10 עד 12 מודולים, בעוד שהתקנה של מערכת BESS במכל עבור תשתיות מכילה מאות או אלפי מודולי סוללה. ביישומים כאלה, זמן ההתקנה והחיסכון בעלויות משימוש במחברי קוטבי סוללה שתוכננו במיוחד בהשוואה למחברי נעל כבל הוא משמעותי.

למחברי קוטבי סוללה תקיעים אלו יש התנגדות מגעים נמוכה והם תומכים ברמות גבוהות של פעולה אמינה ובטוחה, כולל מנגנוני נעילה פוזיטיבית למניעת ניתוקים שלא במתכוון (איור 4). הם מדורגים עבור 1,500 וולט DC‏ (_DC‏V‏), 120 אמפר (A‏) ועבור למעלה מ- 100 מחזורי תחיבה/הסרה עם כוח תחיבה של ≤ 75 ניוטון (Newtons‏, N‏) וכוח הסרה של ≥ N‏ 10‏.

איור 4: מחברי קוטבי סוללה תקיעים הם בעלי מנגנון נעילה פוזיטיבית: משמאל (A) מנוף מנגנון הנעילה/שחרור מוצג במצב הנעול שלו; באמצע (C) מוצג הצמד כשהוא מנותק; ניתוק זה מושג על ידי החלקת מנגנון הנעילה (מימין, B) קדימה לעבר ממשק החיבור. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

דוגמאות של מחברי קוטבי סוללה

מערכת מחברי קוטבי סוללה מבית Phoenix Contact מורכבת מצמדים של מחברי כבלים ומחברי הרכבת-פאנל עם מגעים מצופי כסף, בעלי התנגדות מגעים כוללת של ≤ 5 מילי-אוהם (mΩ). המחברים הם בדירוג UL 4128‏, תקן UL העדכני ביותר עבור יישומי סוללות. לפני תקן זה, מרבית מחברי הסוללות דורגו לפי תקן UL 1977, שהוא תקן כללי יותר עם דירוג מתח מקסימלי של _DC‏V‏ 1,000‏. מחברי קוטבי סוללה מבית Phoenix Contact הם בעלי דירוג של _DC‏V‏ 1,500‏, העומד בתקן UL 4128‏. בנוסף לעמידה בתקן UL 4128 העדכני ביותר (המפורט להלן), מחברי קוטבי סוללה אלו עומדים בדרישות של תקנים בינלאומיים חשובים הקשורים למערכות BESS, כולל:

• IEC 61984‏ - מחברים - דרישות בטיחות ובדיקות
• IEC 62933‏ - מערכות אחסון אנרגיה חשמלית (EES‏)
• IEC 63066 - מחברי עגינה למתח נמוך עבור יחידות אחסון אנרגיה ניתנות להסרה
• UL 9540‏ - תקן עבור מערכות וציוד לאחסון אנרגיה
• UL 4128 - מתווה בדיקה עבור מחברים בין-תאים ובין-שכבות לשימוש ביישומי מערכת סוללות אלקטרוכימיות

מחברי כבלים כגון 1106307‏ מגיעים בצבע שחור עבור הקטבים השליליים, בעוד שמחברי 1106306‏ מגיעים בצבע כתום עבור הקטבים החיוביים (איור 5). סיומות בלחיצה על מחברי הכבלים יכולים להתאים עבור גודלי כבל של 16 מילימטר רבוע (ממ"ר) ו- 25 ממ"ר, עם אורך חשיפה של 22 מ"מ. מנגנון נעילה בהחלקה מונע ניתוקים שלא במתכוון.

איור 5‏: חצי מחבר כבל של מערכת מחברי קוטבי סוללה מוצע בצבע כתום עבור הקטבים החיוביים (מוצג למעלה) ושחור עבור הקטבים השליליים. הוא כולל מנגנון נעילה בהחלקה (בצד ימין של המחבר למעלה) למניעת ניתוקים שלא במתכוון. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

בנוסף לעמידה בדרישות הטכניות של מתקינים ואינטגרטורים של מערכות, מחברי קוטבי סוללה בהרכבת-פאנל מציעים למתכנני מערכת BESS את הגמישות של בחירת חיבור פס צבירה או זקף בורג בתוך המערכת (איור 6). בדומה למחברי כבלים, מחברי הרכבת-פאנל מוצעים בצבע כתום עבור חיבור לקטבים החיוביים (עם בחירה של מחבר פס צבירה, כגון 1130816, או מחבר זקף בורג, כגון 1106303), ושחור עבור חיבור לקטבים השליליים (עם בחירה של מחבר פס צבירה, למשל 1130814, או מחבר זקף בורג, כגון 1106304).

איור 6‏: חצי מחבר קוטב סוללה בהרכבת-פאנל זמין עם אפשרויות מחבר פס צבירה (משמאל) או זקף בורג (מימין). (מקור התמונה: Phoenix Contact)

סיכום של מאפייני הביצועים והיתרונות של מערכת מחברי קוטבי סוללה כולל:

• זמן התקנה מהיר יותר ב- 75% בהשוואה למחברי נעל כבל, מפחית את עלות ההתקנה
• קידוד צבעים עבור זיהוי קוטביות:
  • כתום (+) חיובי
  • שחור (-) שלילי
• לזוגות מחברים שחור וכתום יש ממשקים ייחודיים למניעת הצלבת-חיבורים
• מנגנון נעילה פוזיטיבית מונע ניתוקים שלא במתכוון
• למחברי הכבלים יש סיומות בלחיצה עבור גודלי חוטים 16 ממ"ר ו- 25 ממ"ר
• ניתן לסובב את המחברים המחוברים ב- 360 מעלות כדי לפשט את ההתקנה
• מדורגים עבור 100 מחזורי תחיבה/ניתוק עם כוח תחיבה ≤ N‏ 75 וכוח ניתוק ≥ N‏ 10
• תכן חסין מפני נגיעה במלואו לטובת בטיחות המפעילים
• בתי מחבר בדירוג IP65‏ מעניקים הגנת סביבה
• מגעים מצופי כסף עבור התנגדות מגעים ≤ mΩ‏ 5‏ וממשק חיבור אמין
• דירוג IEC‏ עבור A‏ 120‏ ו- _DC‏V‏ 1,500‏
• תחום טמפרטורות פעולה של 40°C- עד 125°C+

שיקולי תכנון ויישום

כדי להבטיח פעולה בטוחה ואמינה, ישנם מספר גורמים שמתכננים ומתקינים צריכים להביא בחשבון בעת שימוש במערכות מחברי קוטבי סוללות תקיעים:

• אין לחבר או לנתק את המחברים תחת עומס.
• המחבר חייב להיות תקוע במלואו ונעול לפני שהספקת-הכוח מופעלת.
• בפעולה רגילה, המחבר יהיה חם. בתנאי סביבה של טמפרטורה גבוהה, המחברים הללו יכולים להמשיך ולהתחמם עוד יותר. אם המחבר צפוי לשמש בתנאי טמפרטורת סביבה גבוהה, ייתכן שיהיה צורך באזהרות כוויה כמו אלו הנדרשות לפי DIN EN ISO 13732-1:2008-12.
• יש לשים כיפה מגנה על מחברים שאינם בשימוש.
• עומס המתיחה על המחברים במכלל כבלים אינו יכול לחרוג מהגבול העליון של המפרט.

סיכום

ככל שהשימוש במערכות BESS מואץ כדי להבטיח הספקת-כוח אמינה והתאמה למקורות אנרגיה מתחדשים, המתכננים צריכים לשים לב במיוחד לדרישות עבור מחברי קוטבי סוללות עבור מערכות סוללות מודולריות אלו. באמצעות מחברי קוטבי סוללה תקיעים, המתכננים יכולים לעמוד בדרישות הליבה של בטיחות וביצועים, תוך תמיכה בדרישות האמינות, המדרגיות, התחזוקה, הסביבה והעלות של התקנות BESS למגורים, מסחר/תעשייה ותשתיות.

המלצות לקריאה נוספת

1. BESS: פתרון לניהול אנרגיה באופן יזום