UPS用电池保护开关使用研究

邓兴明

（科华恒盛股份有限公司，福建 厦门 361006）

0 引言

不间断电源（Uninterrupted Power Supply, UPS）作为改善用户侧电能质量的重要设备，随着用户侧对电能质量的要求逐渐提高，包括功率需求逐渐增加、保障时间持续时间变长。为此，为UPS装置提供持续电能的蓄电池与UPS连接的保护装置越显得重要。

断路器在UPS系统中不是核心部件，在选型时往往被当成万能的过载保护器和短路保护器使用，其选用结果直接关系到UPS整机运行的安全、可靠性。

根据以往选型运用经验，电池组用的断路器更多的关注其额定电流，没有关注断路器额定电压是否满足要求，以及如何解决额定电压不足造成的问题[1]。因此，我们需要明确直流断路器的工作原理，提出解决及有效预防系统失效的措施。

1 UPS系统简介

不论是高频UPS系统还是工频UPS系统，尤其是20KW以上大功率UPS系统，其电池部分是独立于UPS主机的，其电池开关多数没有设计在UPS主机上，而是独立出来形成电池开关箱或者蓄电池组的电池箱、电池柜一起。另外，蓄电池组的选择，根据使用需求的不同，电池容量、组数是不同的，所以研发标准化对电池开关的选择并没有严格要求，往往作为非标定制被忽略其重要性。但是，这个开关选择是否恰当将直接关系到UPS系统运行的安全性和可靠性[2]。

2 直流断路器运用原理

直流断路器与交流断路器均为断路器，工作原理基本相同，施行分断、过载保护、短路保护，根据不同使用要求增加相关附件可以实现过欠压保护、延时保护、监控报警、测量等功能，其主要包含电流、电压、分断能力等参数，但是在实际使用上却不大相同。

交流电在半个周期时电流自然过零，相当于自动灭弧。直流电没有该特性，务必采取逐渐切断动作，避免突然切断电流引起较大的过电压，可采用拉长和冷却电弧的方法。根据直流电源串接的原理，负载侧的电压可以采用分隔切断的原理来降低电压和灭弧。采用相同的原理，负载侧开关可以通过串联的方式达到满足系统额定工作电压的要求。

3 直流断路器选用

3.1 分断能力选用

交流断路器分断能力会根据配电系统电源短路产生的电流以及线路损耗进行匹配。直流断路器也如此，在UPS系统中，蓄电池组就是线路的电源，分断能力的大小选择与蓄电池单体的短路电流紧密相关：

式中：ICU为断路器分段能力；IK为电池单体短路电流；N为电池组并联组数。

确保断路器在电池组短路时不至于损坏。在选用时，应该注意电池单体短路电流和组数，这里的选择与单体电池电压无关。单体电池电压与容量的关系与体积有直接关系。目前行业2V电池容量达到3000Ah（安时），12V电池容量达到250Ah。根据性价比，UPS电池系统通常采用2V200～800Ah，12V100～250Ah。常规塑壳断路器的分断能力基本在都能满足20kA以上要求，可选择性大[3]。

3.2 电压选择

UPS系统电池部分分为两电平与三电平，根据UPS DC/AC的逆变特性，单相系统直流电压一般不超过250VDC，三相工频系统直流电压一般不超过500VDC，三相高频系统直流电压一般不超过750VDC。

受现行材料和工艺结构影响，大多数直流断路器产品单极可承受的电压在250VDC，部分光伏使用产品可能达到500VDC，以下基于单极250VDC产品进行分析。

系统电压500V＜U≤1000V时，U+/N与UN/-≤1000V，如果“+”与“-”短路，两极串500V是满足不了的，因此需要在正极或者负极采用两极的结构。

4 直流断路器选用

4.1 断路器短路保护

对400A的热磁式直流塑壳断路器和快速熔断器进行比较，对比参数如表1所示。

表1 额定400A断路器与熔断器不同倍数下的脱扣时间

从对比中可以得出，额定值的熔断器比断路器高倍电流（5倍）的动作反应速度快，电池短路电流越大，反应越迅速。假设将断路器的磁脱扣整定到5倍，实际电路上短路电流略大于5倍，断路器可以实现快速脱扣，断路器反应时间（0.03s）比熔断器（0.08s）快，这个是理想状态。

实际产品由于受工艺影响，在整定范围有一定误差，根据《GB 14048.2-2008 低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器》8.3.3.1.2：短路脱扣器的动作应该在脱扣器短路整定电流的80%和120%下进行验证。当试验电流等于短路整定电流的80%和120%时，脱扣器应不动作，对于瞬时脱扣器电流持续时间为0.2s[4-5]。换而言之，就是如400A的额定电流值磁脱扣（短路脱扣器）整定到5倍，排除整定的机械误差，实际整定后的短路电流值应该在1600～2400A。

4.2 断路器过载能力分析

直流断路器在线路上主要包含过流保护、短路保护、开断作用，用于UPS电池保护，主要考虑短路保护和开断作用，过流保护功能基本不用。UPS在电池充电状态下，电流很小，不需要使用到断路器的过流保护功能；UPS在电池放电状态下，由于UPS本身具备过载保护，而且在逆变状态下，也不允许断路器出现过流跳闸的保护，否则系统掉电，所以断路器的额定电流选择可以略微偏大。所以，在这种特定使用场合，采用单磁脱扣的直流断路器即可满足需求，无需采用热磁式直流断路器。

5 方案

通过上面直流断路器使用分析和电池短路的失效分析，保证断路器等保护装置及时动作，保护电池和线路，并不是所有断路器均不能满足要求，主要是受电池短路电流的影响，通过实验证明，满足：

式中：Irm为磁脱扣电流值；IK为电池单体短路电流；N为电池组并联组数。

能确保断路器快速动作，起到保护电池和线路的作用。有三个比较有效而且可行的方案：①方案一。根据使用场合，定制断路器的磁脱扣倍数。成本最低，在整定倍数与需求匹配下，设置在额定电流的4倍作为瞬时脱扣值，精度也相应更高，现阶段的不足是非标定制，向专业化转变还需要一个阶段。②方案二。在断路器线路上再串联一个熔断器。成本较方案一略高，优点是灵敏度高，不足是需要常更换备件，空间要求大，断路器及开关均需加开关辅助触点。③方案三。采用电子式脱扣器。根据性价比，方案三精度最高，但是成本也最高，一般采用直流采样需用霍尔或者分流器，产品体积也将相应增大，安装空间增大。

6 试验验证

以400A和630A断路器为例，进行试验。额定电流为630A的断路器经过整定5倍（额定值为630A*5*（0.8～1.2）），连接在3700A的短路线路中，试验结果见表2中的试验3。

表2 不同试验条件下的对比

试验1：4500A＞400A*10（磁脱扣倍数）；

试验2：4000A＞630A*5（磁脱扣倍数）*1.2（误差值）；

实验3：3700A＜630A*5（磁脱扣倍数）*1.2（误差值）。

试验1与试验2说明，线路短路电流大于断路器磁脱扣电流，可以在短时间内保护线路、设备。试验3与试验2对比说明，当线路短路电流小于（临界）断路器磁脱扣电流，保护动作持续时间较长，对蓄电池将造成损坏。根据电池生产工艺，通常不允许短路时间超过1s，因此，作为蓄电池保护作用的开关在选用时非常关键。在实际运用中，电池的容量将更小，短路电流也更小，在这种环境下，要求对断路器更小的磁脱扣值。

7 结论

本文通过运用分析的方法，详细介绍了直流塑壳断路器的串联和保护特性，以及断路器不能及时脱扣的风险，提出断路器电压、电流、分段能力、电流整定的选型要求和应用方案的优化改善方法。试验证明，这种选型要求和应用方案的优化改善方法，能有效预防断路器在电池使用环境下由于短路造成鼓包、拉狐、起火的问题。