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(xù)時間變長。為此，為UPS裝置提供持續(xù)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(tǒng)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(jù)以往選型運用經(jīng)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(tǒng)失效的措施。

1 UPS系統(tǒng)簡介

不論是高頻UPS系統(tǒng)還是工頻UPS系統(tǒng)，尤其是20KW以上大功率UPS系統(tǒng)，其電池部分是獨立于UPS主機的，其電池開關多數(shù)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(jù)使用需求的不同，電池容量、組數(shù)是不同的，所以研發(fā)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(tǒng)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(jù)不同使用要求增加相關附件可以實現(xiàn)過欠壓保護、延時保護、監(jiān)控報警、測量等功能，其主要包含電流、電壓、分斷能力等參數(shù)，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(jù)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(lián)的方式達到滿足系統(tǒng)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(jù)配電系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)組數(shù)。

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(shù)，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(yè)2V電池容量達到3000Ah（安時），12V電池容量達到250Ah。根據(jù)性價比，UPS電池系統(tǒng)通常采用2V200～800Ah，12V100～250Ah。常規(guī)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(tǒng)電池部分分為兩電平與三電平，根據(jù)UPS DC/AC的逆變特性，單相系統(tǒng)直流電壓一般不超過250VDC，三相工頻系統(tǒng)直流電壓一般不超過500VDC，三相高頻系統(tǒng)直流電壓一般不超過750VDC。

受現(xiàn)行材料和工藝結構影響，大多數(shù)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(tǒng)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(shù)如表1所示。

表1 額定400A斷路器與熔斷器不同倍數(shù)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(xiàn)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(tài)。

實際產品由于受工藝影響，在整定范圍有一定誤差，根據(jù)《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(xù)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(tài)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(tài)下，由于UPS本身具備過載保護，而且在逆變狀態(tài)下，也不允許斷路器出現(xiàn)過流跳閘的保護，否則系統(tǒng)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(lián)組數(shù)。

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(jù)使用場合，定制斷路器的磁脫扣倍數(shù)。成本最低，在整定倍數(shù)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(xiàn)階段的不足是非標定制，向專業(yè)化轉變還需要一個階段。②方案二。在斷路器線路上再串聯(lián)一個熔斷器。成本較方案一略高，優(yōu)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(jù)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(jīng)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(shù)）；

試驗2：4000A＞630A*5（磁脫扣倍數(shù)）*1.2（誤差值）；

實驗3：3700A＜630A*5（磁脫扣倍數(shù)）*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(xù)時間較長，對蓄電池將造成損壞。根據(jù)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(huán)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(lián)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(yōu)化改善方法。試驗證明，這種選型要求和應用方案的優(yōu)化改善方法，能有效預防斷路器在電池使用環(huán)境下由于短路造成鼓包、拉狐、起火的問題。