UPS用電池保護開關使用研究

鄧興明

（科華恒盛股份有限公司，福建 廈門 361006）

0 引言

不間斷電源（Uninterrupted Power Supply, UPS）作為改善用戶側電能質量的重要設備，隨著用戶側對電能質量的要求逐漸提高，包括功率需求逐漸增加、保障時間持續時間變長。為此，為UPS裝置提供持續電能的蓄電池與UPS連接的保護裝置越顯得重要。

斷路器在UPS系統中不是核心部件，在選型時往往被當成萬能的過載保護器和短路保護器使用，其選用結果直接關系到UPS整機運行的安全、可靠性。

根據以往選型運用經驗，電池組用的斷路器更多的關注其額定電流，沒有關注斷路器額定電壓是否滿足要求，以及如何解決額定電壓不足造成的問題[1]。因此，我們需要明確直流斷路器的工作原理，提出解決及有效預防系統失效的措施。

1 UPS系統簡介

不論是高頻UPS系統還是工頻UPS系統，尤其是20KW以上大功率UPS系統，其電池部分是獨立于UPS主機的，其電池開關多數沒有設計在UPS主機上，而是獨立出來形成電池開關箱或者蓄電池組的電池箱、電池柜一起。另外，蓄電池組的選擇，根據使用需求的不同，電池容量、組數是不同的，所以研發標準化對電池開關的選擇并沒有嚴格要求，往往作為非標定制被忽略其重要性。但是，這個開關選擇是否恰當將直接關系到UPS系統運行的安全性和可靠性[2]。

2 直流斷路器運用原理

直流斷路器與交流斷路器均為斷路器，工作原理基本相同，施行分斷、過載保護、短路保護，根據不同使用要求增加相關附件可以實現過欠壓保護、延時保護、監控報警、測量等功能，其主要包含電流、電壓、分斷能力等參數，但是在實際使用上卻不大相同。

交流電在半個周期時電流自然過零，相當于自動滅弧。直流電沒有該特性，務必采取逐漸切斷動作，避免突然切斷電流引起較大的過電壓，可采用拉長和冷卻電弧的方法。根據直流電源串接的原理，負載側的電壓可以采用分隔切斷的原理來降低電壓和滅弧。采用相同的原理，負載側開關可以通過串聯的方式達到滿足系統額定工作電壓的要求。

3 直流斷路器選用

3.1 分斷能力選用

交流斷路器分斷能力會根據配電系統電源短路產生的電流以及線路損耗進行匹配。直流斷路器也如此，在UPS系統中，蓄電池組就是線路的電源，分斷能力的大小選擇與蓄電池單體的短路電流緊密相關：

式中：ICU為斷路器分段能力；IK為電池單體短路電流；N為電池組并聯組數。

確保斷路器在電池組短路時不至于損壞。在選用時，應該注意電池單體短路電流和組數，這里的選擇與單體電池電壓無關。單體電池電壓與容量的關系與體積有直接關系。目前行業2V電池容量達到3000Ah（安時），12V電池容量達到250Ah。根據性價比，UPS電池系統通常采用2V200～800Ah，12V100～250Ah。常規塑殼斷路器的分斷能力基本在都能滿足20kA以上要求，可選擇性大[3]。

3.2 電壓選擇

UPS系統電池部分分為兩電平與三電平，根據UPS DC/AC的逆變特性，單相系統直流電壓一般不超過250VDC，三相工頻系統直流電壓一般不超過500VDC，三相高頻系統直流電壓一般不超過750VDC。

受現行材料和工藝結構影響，大多數直流斷路器產品單極可承受的電壓在250VDC，部分光伏使用產品可能達到500VDC，以下基于單極250VDC產品進行分析。

系統電壓500V＜U≤1000V時，U+/N與UN/-≤1000V，如果“+”與“-”短路，兩極串500V是滿足不了的，因此需要在正極或者負極采用兩極的結構。

4 直流斷路器選用

4.1 斷路器短路保護

對400A的熱磁式直流塑殼斷路器和快速熔斷器進行比較，對比參數如表1所示。

表1 額定400A斷路器與熔斷器不同倍數下的脫扣時間

從對比中可以得出，額定值的熔斷器比斷路器高倍電流（5倍）的動作反應速度快，電池短路電流越大，反應越迅速。假設將斷路器的磁脫扣整定到5倍，實際電路上短路電流略大于5倍，斷路器可以實現快速脫扣，斷路器反應時間（0.03s）比熔斷器（0.08s）快，這個是理想狀態。

實際產品由于受工藝影響，在整定范圍有一定誤差，根據《GB 14048.2-2008 低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器》8.3.3.1.2：短路脫扣器的動作應該在脫扣器短路整定電流的80%和120%下進行驗證。當試驗電流等于短路整定電流的80%和120%時，脫扣器應不動作，對于瞬時脫扣器電流持續時間為0.2s[4-5]。換而言之，就是如400A的額定電流值磁脫扣（短路脫扣器）整定到5倍，排除整定的機械誤差，實際整定后的短路電流值應該在1600～2400A。

4.2 斷路器過載能力分析

直流斷路器在線路上主要包含過流保護、短路保護、開斷作用，用于UPS電池保護，主要考慮短路保護和開斷作用，過流保護功能基本不用。UPS在電池充電狀態下，電流很小，不需要使用到斷路器的過流保護功能；UPS在電池放電狀態下，由于UPS本身具備過載保護，而且在逆變狀態下，也不允許斷路器出現過流跳閘的保護，否則系統掉電，所以斷路器的額定電流選擇可以略微偏大。所以，在這種特定使用場合，采用單磁脫扣的直流斷路器即可滿足需求，無需采用熱磁式直流斷路器。

5 方案

通過上面直流斷路器使用分析和電池短路的失效分析，保證斷路器等保護裝置及時動作，保護電池和線路，并不是所有斷路器均不能滿足要求，主要是受電池短路電流的影響，通過實驗證明，滿足：

式中：Irm為磁脫扣電流值；IK為電池單體短路電流；N為電池組并聯組數。

能確保斷路器快速動作，起到保護電池和線路的作用。有三個比較有效而且可行的方案：①方案一。根據使用場合，定制斷路器的磁脫扣倍數。成本最低，在整定倍數與需求匹配下，設置在額定電流的4倍作為瞬時脫扣值，精度也相應更高，現階段的不足是非標定制，向專業化轉變還需要一個階段。②方案二。在斷路器線路上再串聯一個熔斷器。成本較方案一略高，優點是靈敏度高，不足是需要常更換備件，空間要求大，斷路器及開關均需加開關輔助觸點。③方案三。采用電子式脫扣器。根據性價比，方案三精度最高，但是成本也最高，一般采用直流采樣需用霍爾或者分流器，產品體積也將相應增大，安裝空間增大。

6 試驗驗證

以400A和630A斷路器為例，進行試驗。額定電流為630A的斷路器經過整定5倍（額定值為630A*5*（0.8～1.2）），連接在3700A的短路線路中，試驗結果見表2中的試驗3。

表2 不同試驗條件下的對比

試驗1：4500A＞400A*10（磁脫扣倍數）；

試驗2：4000A＞630A*5（磁脫扣倍數）*1.2（誤差值）；

實驗3：3700A＜630A*5（磁脫扣倍數）*1.2（誤差值）。

試驗1與試驗2說明，線路短路電流大于斷路器磁脫扣電流，可以在短時間內保護線路、設備。試驗3與試驗2對比說明，當線路短路電流小于（臨界）斷路器磁脫扣電流，保護動作持續時間較長，對蓄電池將造成損壞。根據電池生產工藝，通常不允許短路時間超過1s，因此，作為蓄電池保護作用的開關在選用時非常關鍵。在實際運用中，電池的容量將更小，短路電流也更小，在這種環境下，要求對斷路器更小的磁脫扣值。

7 結論

本文通過運用分析的方法，詳細介紹了直流塑殼斷路器的串聯和保護特性，以及斷路器不能及時脫扣的風險，提出斷路器電壓、電流、分段能力、電流整定的選型要求和應用方案的優化改善方法。試驗證明，這種選型要求和應用方案的優化改善方法，能有效預防斷路器在電池使用環境下由于短路造成鼓包、拉狐、起火的問題。