Что обуславливает необходимость в высоковольтных коммутационных устройствах?
Несмотря на свою относительную новизну, сектор электромобилей (EV) уже достиг значительного проникновения на рынок и объемов продаж. Более того, электрификация порождает дискуссии о будущем личного и общественного транспорта. Согласно данным Statista.com:
• Прогнозируется, что к 2025 году мировой рынок электромобилей достигнет впечатляющих 784,2 млрд долларов.
• Ожидается, что в период с 2025 по 2029 год рынок будет расти в среднем на 6,01% в год, достигнув стоимости в 990,4 млрд долларов в 2029 году.
• Ожидается, что к 2029 году объем продаж электромобилей достигнет приблизительно 17,36 млн единиц.
Современные автомобильные автобусные системы обычно работают при напряжении 400 В, но внедряются системы с напряжением 800 В для увеличения мощности и/или снижения тока. Некоторые автопроизводители рассматривают возможность использования еще более высоких напряжений, как и производители коммерческого транспорта и транспортных средств, предназначенных для общественного транспорта. Также разрабатываются аккумуляторные системы, превышающие 1000 В.
Другие развивающиеся рынки также способствуют повышению напряжения в системах. Например, возобновляемая энергия, получаемая от солнечных электростанций, требует способности работать с высокими напряжениями во время преобразования, передачи и хранения. Медицинская сфера все чаще использует высоковольтное диагностическое оборудование, такое как компьютерные томографы и рентгеновские аппараты. Кроме того, традиционные высоковольтные приложения, такие как изоляция кабелей, изоляция печатных плат и тестеры полупроводников, по-прежнему требуют высоких рабочих напряжений.
Почему 500 В?
Точка, при которой система может считаться «высоковольтной», кажется несколько произвольной. Однако производители оборудования, как правило, сходятся во мнении, что это как минимум 400 В. Почему именно эта цифра? Дело в том, что системы, работающие при 250 В переменного тока, отраслевом стандарте, достигают пикового значения около 350 В. Производители модульных коммутационных устройств часто требуют, чтобы все устройства, работающие при напряжении свыше 500 В, включали в себя аппаратную блокировку для обеспечения безопасной работы. На таких уровнях необходима схема подавления помех, и, как правило, рекомендуется использовать высоковольтные разъемы. Поэтому представляется разумным классифицировать 500 В как «высоковольтное» напряжение.
На крайнем конце шкалы герконовые реле (которые, как мы подробно увидим позже, очень хорошо подходят для коммутации при высоком напряжении) могут обеспечивать напряжение пробоя до 15 кВ и даже выше в некоторых конструкциях.
Преимущества модульных тестовых систем для высоковольтных приложений
Прежде чем углубляться в высоковольтные коммутационные системы, стоит вспомнить, почему выбор модульной платформы, основанной на коммерчески доступных технологиях и стандартах, поможет снизить стоимость тестовой системы, сократить время разработки и создать систему, которая точно соответствует требованиям каждого конкретного приложения. Такая система также поможет сократить время тестирования, поскольку как аппаратное, так и программное обеспечение могут быть полностью интегрированы и автоматизированы, оптимизируя процессы тестирования и позволяя проводить несколько тестов параллельно.
PXI — это стандартная платформа для тестирования, измерения и управления, основанная на открытой архитектуре от PXI Systems Alliance (PXISA), поддерживаемая более чем 60 поставщиками, которые производят, продают и интегрируют аппаратные и программные решения на базе PXI. Благодаря такому большому количеству поставщиков, предлагающих совместимое оборудование, разработчики систем могут выбирать наиболее подходящие функциональные блоки от разных компаний в зависимости от требований приложения, а не ограничиваться использованием продуктов одного поставщика.
Использование стандартизированной архитектуры также сокращает время, необходимое для настройки тестовой системы для новых продуктов и требований. Благодаря гибкой и масштабируемой природе систем на базе PXI, как аппаратной, так и программной, модульная система может расти по мере увеличения сложности системы. Модульные элементы могут добавляться по мере необходимости для расширения функциональности или мощности, минимизируя первоначальные инвестиции и сохраняя их ценность, поскольку они не будут потрачены впустую по мере роста требований к тестированию.
Самое главное, инженеры-тестировщики не ограничены использованием предварительно сконфигурированных систем от одного поставщика. Такие решения часто не удовлетворяют всем системным требованиям, или же они слишком велики и сложны, превышают необходимую мощность и влекут за собой дополнительные затраты. В отличие от них, система тестирования на основе стандарта PXI может быть гибкой, не будучи сложной.
Безопасность, надежность и воспроизводимость.
Возвращаясь к теме высокого напряжения, безопасность, надежность и воспроизводимость — это три фундаментальных столпа, на которых должны основываться высоковольтные коммутационные системы. Давайте рассмотрим каждый из них подробно:
Безопасность:
Когда напряжение может достигать киловольтных уровней, безопасность должна быть первостепенной задачей. Поэтому высоковольтные коммутационные устройства должны включать в себя функциональную аппаратную блокировку, которая может изолировать их выходы на передней панели, обеспечивая деактивацию всех реле. Например, аппаратная блокировка на дверном выключателе может использоваться для отключения реле, если дверца шкафа испытательной системы открыта. Существует множество возможных конфигураций при использовании плат, установленных друг на друга: несколько плат могут быть соединены между собой, при этом одна из них управляет линией аппаратного прерывания, или они могут быть установлены отдельно. Обычно это включает в себя выключатель на дверце шкафа: если дверца открыта, платы работают в безопасном режиме, даже если подается напряжение 5 кВ. Аналогично, когда дверца открыта, и, следовательно, оператор не может прикасаться к чему-либо находящемуся под напряжением, платы переключаются в активный режим, и система может использоваться в обычном режиме.
Наличие высокого напряжения также означает, что паразитные элементы, помехи и скачки напряжения более опасны, потенциально создавая проблемы с безопасностью и надежностью. Поэтому следует предусмотреть схемы подавления помех. Мы обсудим это подробнее в следующем разделе.
Естественно, все оборудование, предназначенное для работы с высокими напряжениями, должно соответствовать международным стандартам, таким как IEC 62271-200 для высоковольтных распределительных устройств.
Надежность.
Надежность высоковольтных коммутационных систем зависит от качества и выбора компонентов. Самым важным элементом является сам переключатель; скорее всего, это будет реле. Хотя существуют различные типы реле, герконовые реле обладают рядом преимуществ, которые делают их идеальными для высоковольтных применений.
В электромеханических реле (ЭМР) контакты открыты наружу. Это означает, что пыль и другие частицы могут загрязнять контактные поверхности и негативно влиять на их работу. В отличие от них, герконовые реле используют герметично закрытый переключатель, контакты которого работают в вакууме. Поэтому контакты гораздо менее подвержены износу, и их характеристики всегда будут выше. Кроме того, расстояние срабатывания может быть значительно меньше, чем в открытых ЭМР-устройствах. А поскольку контакты находятся в герметично закрытом вакууме, ионизация, происходящая при высоких напряжениях, не повлияет на работу герконового переключателя.
Рисунок 2. Электромеханическое реле.
Рисунок 2b: Герконовое реле высокого напряжения
Высоковольтные герконовые реле имеют скорость переключения 0,5–1 миллисекунду, что значительно быстрее, чем у электромагнитных реле, скорость переключения которых составляет 3 миллисекунды. Кроме того, герконовые реле обладают низким механическим износом, поскольку не содержат движущихся частей, за исключением небольших коммутирующих герконов. При правильном использовании и в пределах заданных параметров герконовые реле могут достигать срока службы более 1 миллиарда срабатываний (в зависимости от нагрузки). В отличие от них, срок службы электромагнитных реле составляет всего около 10 миллионов срабатываний.
Конечно, существует множество типов герконовых реле для высоковольтных применений; как правило, чем выше напряжение, тем больше устройство. Герконовые реле с напряжением пробоя (постоянный или переменный пик) 1500 В могут быть очень компактными, например, их размеры составляют всего 12,5 x 3,7 x 6,6 мм. Высококачественные герконовые реле для таких уровней напряжения используют контакты из порошкового рутения, обеспечивая превосходную работу при низких уровнях тока. Герконовые реле характеризуются напряжением пробоя до 15 кВ. Эти более крупные устройства имеют контакты с вольфрамовым покрытием, обеспечивающим устойчивость к нагреву, выделяемому при переключении высокой мощности. На
производительность и срок службы реле влияют несколько факторов. Для достижения оптимальных результатов всегда предпочтительнее холодное переключение, то есть активация контактов реле без подачи напряжения. Когда необходимо горячее переключение, крайне важно убедиться, что произведение напряжения и тока на выключателе не превышает максимально допустимую мощность переключения реле. Горячее переключение негативно сказывается на сроке службы реле и снижает напряжение пробоя, поскольку при деградации покрытия образуются электрические дуги. Поэтому в технических характеристиках коммутационных модулей указывается снижение рабочего напряжения до
40-50% при горячем переключении.
Даже если на контакты реле не подается напряжение, переключение может быть не «холодным». Основная причина отказов высоковольтных реле заключается в неправильной оценке емкости в цепи.
Рисунок 3. Переходная емкость в переключателе и принципиальная схема.
Рассмотрим рисунок 3. Если в цепи присутствует емкость, она может изменяться при наличии высокого напряжения. Если емкость находится в выключателе без ограничивающей нагрузки, она мгновенно разрядится через выключатель при его замыкании. Во многих высоковольтных приложениях конденсаторы используются для хранения напряжения. Даже конденсаторы, заряженные до относительно низкого напряжения, могут вызывать переходные токи порядка десятков ампер при замыкании выключателя, что может значительно повредить контакты реле. Поэтому необходимо учитывать природу емкости в цепи и предусмотреть защиту от разрядов. Этот вопрос подробно обсуждается в «Кратком техническом руководстве по герконовым реле» Пикеринга.
Производители классифицируют реле по определенному уровню производительности, но особенно для компонентов >10 кВ не рекомендуется эксплуатировать устройство на предельных значениях. Когда устройство новое, его характеристики будут соответствовать заявленным, но в течение срока службы, особенно при переключении под напряжением, будут возникать электрические дуги и перенос металла между контактами. Это может привести к накоплению заряда на контакте, тем самым уменьшая зазор между контактами, что, в свою очередь, влияет на напряжение пробоя. Если в рабочих характеристиках допускается запас не менее 10%, реле будет надежно работать на протяжении всего срока службы.
Еще одним преимуществом герконовых реле в высоковольтных приложениях является их высокое сопротивление изоляции и гораздо меньшие токи утечки, порядка наноампер, на несколько порядков ниже, чем у твердотельных реле (ТТ). Высокий ток утечки ТТ может затруднить измерение значений тока порядка миллиампер.
Разъем — еще один важный компонент, требующий особого внимания при оценке коммутационных устройств для высоких напряжений. Разъемы типа D для высоких напряжений, рассчитанные на 1000 В, легко доступны и недороги. Однако для применений выше 1000 В необходимо использовать специальные высоковольтные разъемы, такие как поставляемые компанией Redel. Эти разъемы Redel, вопреки распространенному мнению, меньше разъемов типа D, несмотря на то, что могут работать при более высоких напряжениях. Внутри разъема используется пластиковая изоляция и лак, обеспечивающие необходимую защиту от чрезвычайно высоких напряжений.
Рисунок 4. Коммутационный модуль Pickering PXI для напряжения 9 кВ
Рисунок 4b: Соответствующий высоковольтный разъем Redel (справа).
Еще одним важным фактором повышения надежности и минимизации воздействия скачков напряжения, переходных процессов, перегрузок по току и перенапряжений на модульные коммутационные платы является использование защиты от перенапряжений. Для высоких напряжений могут применяться два типа цепей защиты: одна для защиты катушки, которая, если реле достаточно велико, может быть размещена в корпусе реле, и дополнительные устройства защиты, установленные на платах LXI/PXI для защиты контактов реле от повреждений, вызванных скачками напряжения.
Повторяемость:
Передовые методы помогают обеспечить точность и воспроизводимость результатов испытаний. Например, крайне важно обеспечить, чтобы нагрузка была максимально резистивной и не содержала вредных емкостных или индуктивных элементов. И те, и другие могут повредить покрытие контактов реле и снизить их работоспособность до отказа. Поэтому необходимо избегать скачков напряжения, индуктивности, создаваемой проводкой, и накопленной емкости, поскольку они могут привести к перегреву даже при отключенном питании платы.
Также необходимо избегать программных ошибок. Программное обеспечение для автоматической маршрутизации сигналов может помочь управлять синхронизацией и маршрутизацией сигналов в коммутационных системах, учитывая время разряда, тем самым предотвращая труднообнаружимые ошибки последовательного переключения и потенциально опасные сигнальные соединения.
Конечно, существуют и другие методы повышения точности измерений. Снижение уровня напряжения до приемлемого уровня с помощью делителей напряжения является распространенной практикой в отрасли, а методы обработки сигналов также могут применяться к более сложным системам.
Аннотация:
Тщательное понимание факторов, влияющих на высоковольтное переключение, стало крайне важным в связи с экспоненциальным ростом спроса, обусловленным в первую очередь электромобилями (EV), а также возобновляемыми источниками энергии и новыми поколениями медицинского оборудования, а также более традиционными высоковольтными приложениями, такими как тестирование полупроводников, печатных плат и кабелей. Безопасность всегда является первостепенной задачей, и поставщики тестовых систем обычно включают в свою продукцию функцию аппаратной блокировки. Надежность обеспечивается использованием наиболее подходящих высококачественных компонентов и стандартных процессов проектирования. Повторяемость может быть достигнута путем соблюдения передовых методов в программировании тестирования. Напряжение пробоя является существенным преимуществом технологии герконовых реле в высоковольтных приложениях. Немногие приложения переключаются при высоких напряжениях, если этого можно избежать, а если и переключаются, то на низких уровнях для защиты срока службы переключателя. Высокое напряжение пробоя и низкое контактное сопротивление делают герконовые переключатели все более популярными в приложениях, где основной функцией является передача тока, особенно импульсного тока. Использование более высоких напряжений может облегчить генерацию токов, не зависящих от изменений сопротивления цепи, и обеспечить получение более чистых импульсов, то есть лучшей формы импульса.
