Elektrobransjen er i endring

Solceller produserer likestrøm, og batterier til elbiler og elektronikk lades med likestrøm. Det er ingen tvil om at det blir en større andel DC-systemer fremover, og flere må kunne DC like godt som AC.

Batterier er en av hovedgrunnene til at andelen DC-anlegg øker, siden det er en form for energilagring som ikke fungerer ved AC. Det er fordi AC har vekslende polaritet, mens DC og batterier har konstant polaritet. Forenklet forklart, så er den positive polen alltid positiv (+), og den negative polen alltid negativ (-), i DC- og batterisystemer.

Energilagring i batterier har mange fordeler. Batterier er perfekte for kortvarig energilagring, fordi man enkelt kan lagre energi ved overskudd, og like enkelt bruke energien ved behov. Energilagring er avgjørende for å sikre stabil energiforsyning ved uforutsigbar energiproduksjon, som ved fornybare energikilder. For eksempel, så er man avhengig av å kunne lagre energi for å kunne benytte seg av solenergi om natten, og vindkraft når det ikke blåser. Batterier er også relativt rimelige og lett anvendelige, sammenlignet med alternativene for energilagring. I tillegg kan de installeres på mange forskjellige steder, som i bygninger, om bord på skip, og til om med i fly.

Artikkelen fortsetter under illustrasjonen: 

Selv om batterier har mange gode egenskaper, så er det en del utfordringer i batterisystemer. Den største utfordringen er at batterier har ekstremt raske og høye kortslutningsstrømmer. I store batterisystemer, med mange parallellkoblede batteripakker, kan disse kortslutningsstrømmene bli enormt høye. Særlig i lithium-ion-batterier, som har høy energitetthet og liten indre motstand, men også i tradisjonelle blybatterier utvikles kortslutningsstrømmene veldig hurtig. Årsaken er at batteriene har liten eller ingen induktans – altså elektrisk induktiv motstand. I tradisjonelle elektriske energikilder, som generatorer og transformatorer, er det stor induktans. Det kommer av at den elektriske strømmen blir produsert ved hjelp av store spoler, gjennom elektromagnetisk induksjon. I batterier er det ingen spole, og derfor er den «indre motstanden» (impedansen) i batteriet hovedsakelig resistiv – ikke induktiv. 

Tidskonstanten (τ) definerer hvor raskt kortslutningsstrømmen utvikler seg. Den bestemmes av induktans delt på resistans (τ=L/R), så jo lavere induktans, jo lavere blir tidskonstanten. Lavere tidskonstant gir høyere stigningsgrad. Altså, ved lav induktans utvikles kortslutningsstrømmen hurtig, og det resulterer i veldig høye kortslutningsstrømmer på ekstremt kort tid.

Artikkelen fortsetter under illustrasjonen:

Moderne DC-utstyr er utviklet for håndtere de raske og høye kortslutningsstrømmene. For eksempel,  kan halvleder-teknologi benyttes for å begrense og bryte kortslutningsstrømmene mye raskere enn hva som har vært mulig tidligere. Det kan også installeres ekstra induktans i kretsen, i form av ekstra spoler. Dette vil øke tidskonstanten og dermed redusere stigningsgraden til kortsluntingsstrømmen, slik at strømmen kan brytes før den blir for stor.

I batterier går det strøm begge veier. Det virker kanskje selvsagt at strømmen skal kunne gå i begge retninger, men det er ingen selvfølge. I tradisjonelle DC-anlegg uten batterier, har strømmen bare én retning. Derfor finnes det mye bryterutstyr for DC som ikke kan brukes i batteriinstallasjoner, mens moderne DC-utstyr oftere er tilpasset akkurat det.

En annen utfordring med batterier er at spenningen varierer veldig. For eksempel, når en batteripakke har 1000 V DC nominell spenning, kan spenningen falle til under 700 V ved utlading, og stige til over 1100 V ved lading. Ved lavere spenning er strømmen høyere, og det må man også ta hensyn til ved dimensjonering. I tillegg kan spenningsvariasjonen skape utfordringer for annet utstyr. Derfor benyttes det gjerne DC/DC-omformere, mellom batteriene og resten av anlegget, for å holde spenningsnivået jevnt.

Det er veldig stor kapasitans i DC-omformere, i form av faktiske kondensatorer. Når man setter spenning på en kondensator, får man en veldig høy startstrøm (ladestrøm). Det skyldes at tilgjengelig energi går til å lade opp kondensatoren. I tilkoblingsøyeblikket vil det omtrent tilsvare en kortslutning. For å unngå veldig hurtig opplading, er det vanlig å forhåndslade kondensatorene, ved å bruke en «pre-charge-krets». Utlading av kondensatorer skjer også veldig hurtig, og ved en kortslutning i kretsen vil det oppstå en høy utladningsstrøm fra kondensatorene, i tillegg til bidrag fra andre kilder i anlegget. Derfor er det veldig viktig med korrekt dimensjonering av anlegget, og å bruke riktig utstyr.

En annen utfordring med DC, er at det rett og slett er vanskeligere å bryte likestrøm. Enkelt forklart, så skifter vekselstrømmen retning periodisk, og hver gang strømmen passerer nullpunktet i sinuskurven, så går det ingen strøm. Det gjør at vekselstrømmen er lettere å bryte. Likestrømmen derimot er mer eller mindre konstant, og har ikke dette nullpunktet. Derfor kan man lett «trekke ut lysbuer» når man bryter likestrøm, og det kan føre til store skader, dersom utstyret ikke er egnet, eller riktig dimensjonert. Moderne DC-utstyr løser det ved å «slukke» lysbuen effektivt, eller ved å hindre at den oppstår.

Alle disse utfordringene stiller nye krav til teknologi. I tillegg brukes batterier stadig mer, og batteripakkene blir stadig større. Brytere, vern og annet utstyr må kunne håndtere disse enorme energimengdene.

Vi bidrar med produkter og løsninger for fremtidens DC-systemer. I over 130 år har ABB drevet innovasjon og vært en viktig teknologileder innen elektrifisering. Nå er DC et stort satsningsområde, for å sikre at bærekraftige energiløsninger kan realiseres. 

Vi tilbyr et bredt spekter av lavspenningsprodukter og løsninger for beskyttelse, styring og overvåking av elektriske installasjoner. Vi utvikler nye og innovative produkter for alle segmenter, og våre løsninger omfatter produkter opptil 1500 V DC. 

Vi har allerede lansert et stort utvalg av produkter for DC, som for eksempel Infinitus, verdens første komplette halvleder-effektbryter (solid-state/IGCT). Halvlederteknologien benyttes for å lynraskt kunne «stoppe» kortslutningsstrømmer fra store batteripakker, samt utladningsstrømmer fra kondensatorer. Vi har også utviklet GF-kontaktorer og OTDC-lastskillebrytere, som har vært avgjørende for flere maritime prosjekter, som helelektrise ferger. Felles for alle disse produktene er at de har et veldig kompakt design, til tross for høy ytelse, som gjør det mulig å benytte moderne teknologi flere steder.

Med vår lokale ekspertise i Norge, støtte fra det globale ABB-teamet, og et bredt utvalg av produkter, står vi i ABB Electrification Norway klare til å hjelpe deg med dine DC-prosjekter.