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引言

鉛酸蓄電池大量用于UPS系統(tǒng)中，而用于控制蓄電池組輸出的保護(hù)開關(guān)，其作用非常重要，不僅承擔(dān)著蓄電池的正常切除和接通，而且在蓄電池出現(xiàn)過放、過載、短路等故障時(shí)，還需具有相應(yīng)的保護(hù)。

蓄電池電壓使用范圍較寬，內(nèi)阻變化較大，因此通過靜態(tài)計(jì)算得出短路電流不夠****，且無法匹配全生命周期的電池特性，使得蓄電池在系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備的設(shè)定、選取和整定等方面缺少相應(yīng)的依據(jù)。一旦電池保護(hù)開關(guān)選擇不合理，或者不能隨著電池的性能變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)無法及時(shí)脫扣，**會(huì)造成故障擴(kuò)大化等嚴(yán)重后果。

一、UPS蓄電池系統(tǒng)

UPS系統(tǒng)，包括蓄電池組、電池之間連接線纜或銅排、電池保護(hù)開關(guān)、蓄電池到UPS主機(jī)之間的接線及UPS主機(jī)。正常情況下，UPS主機(jī)由市電供電，并向蓄電池充電。當(dāng)市電異常時(shí)，電池經(jīng)UPS逆變器變換為交流電為負(fù)載供電。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，如蓄電池短路、UPS主機(jī)嚴(yán)重故障時(shí)，電池保護(hù)開關(guān)需要脫扣，從而將電池能量源與故障點(diǎn)隔離，起到保護(hù)電池和防止故障擴(kuò)大化的作用。

二、開關(guān)及其類型

開關(guān)由操作機(jī)構(gòu)、觸點(diǎn)、保護(hù)裝置( 各種脫扣器)、滅弧系統(tǒng)等組成。其主觸點(diǎn)通常是通過手動(dòng)操作閉合。主觸點(diǎn)閉合后，自由脫扣機(jī)構(gòu)將主觸點(diǎn)鎖閉在合閘位置上。過電流脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯(lián)，欠電壓脫扣器的線圈和電源并聯(lián)。當(dāng)電路發(fā)生短路或嚴(yán)重過載時(shí)，過電流脫扣器的銜鐵吸合，使自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，主觸點(diǎn)斷開主電路。當(dāng)電路過載時(shí)，熱脫扣器的熱元件發(fā)熱使雙金屬片向上彎曲，推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作。當(dāng)電路欠電壓時(shí)或通過控制系統(tǒng)觸發(fā)欠壓脫扣時(shí)，欠電壓脫扣器的銜鐵釋放，也使自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

交流電的每個(gè)周期都有自然過零點(diǎn)，在過零點(diǎn)容易熄弧，而直流電沒有零點(diǎn)，電弧難以自然熄滅，因此直流系統(tǒng)滅弧相對困難。開關(guān)分為直流開關(guān)、交流開關(guān)和交直流兩用開關(guān)。交流開關(guān)與直流開關(guān)在結(jié)構(gòu)和性能上有很大區(qū)別，原則上交流開關(guān)不宜用在直流電路中。

三、蓄電池的短路電流

圖一電池短路示意圖

圖一為典型的電池系統(tǒng)短路示意圖，其中R_batt為電池內(nèi)阻，L_batt為電池內(nèi)電感，V_batt為電池開路電壓，R_int 和L_int為電池組之間連線電阻和電感，R_ext和L_ext為電池組到UPS之間的電阻和電感，R_fault 和L_fault為短路點(diǎn)的電阻和電感。短路電流由電池的開路電壓及短路的整個(gè)回路阻抗決定，其中電感決定了故障電流的上升率，回路電阻決定了短路電流值。而短路點(diǎn)也有阻抗，不同的短路類型，短路點(diǎn)阻抗不同而且難以評估。這里僅以理想短路狀態(tài)為計(jì)算模型。

電池的短路電流可以從用戶手冊上查或計(jì)算出來，比如從圖三可以查到大某電池的短路電流為4900A@0.1sec�？梢钥闯觯姵囟搪冯娏鞣浅４�，所以短路狀態(tài)下電池電壓下降非�？欤S著電池電壓的下降，短路電流也會(huì)迅速下降。因此，在短路時(shí)，合理的情況是電池保護(hù)開關(guān)應(yīng)該觸發(fā)瞬動(dòng)保護(hù)立即脫扣，否則短路電流一旦下降，將可能無法使保護(hù)裝置動(dòng)作，整個(gè)系統(tǒng)**會(huì)處于不可控制的危險(xiǎn)境地。

短路電流也可計(jì)算獲得，根據(jù)短路電流公式計(jì)算：短路電流=浮充電壓/（電池內(nèi)阻+連接銅排及接觸電阻+電池線纜電阻），而實(shí)際的工程現(xiàn)場很難評估電池線纜阻抗和電池連接接觸阻抗，所以一般可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)使用簡化公式計(jì)算：短路電流=浮充電壓/電池內(nèi)阻，然后再考慮20%的線纜及接觸阻抗。例如計(jì)算電池短路電流5kA，考慮線纜阻抗和連接阻抗，則短路電流約為4kA。

四、保護(hù)開關(guān)的選擇

4.1額定工作電壓

指開關(guān)在正常的情況下（不間斷的）工作的電壓，工程上經(jīng)常使用保護(hù)開關(guān)多極串聯(lián)以提高工作電壓。

圖二參考的電池保護(hù)開關(guān)串聯(lián)接法

4.2 額定電流

保護(hù)開關(guān)的額定電流是指脫扣器能長期通過的電流，也**是指脫扣器額定電流。在UPS系統(tǒng)上，蓄電池保護(hù)開關(guān)的額定電流要大于正常工作條件下電池的****放電電流，即電池放電終止電壓下的放電電流。

UPS蓄電池****放電電流=（UPS的額定容量×UPS的輸出功率因數(shù)）/（逆變器效率×電池組放電終止電壓），在工程現(xiàn)場，需要根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置電池保護(hù)開關(guān)的額定電流不小于UPS蓄電池在放電終止時(shí)的放電電流。

4.3瞬時(shí)脫扣電流

用于短路保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，脫扣器能夠迅速動(dòng)作，切斷故障點(diǎn)，防止故障擴(kuò)大化。根據(jù)前文計(jì)算的電池短路電流，現(xiàn)場應(yīng)設(shè)定電池保護(hù)開關(guān)的瞬時(shí)脫扣電流小于蓄電池組的短路電流。

4.4短路分?jǐn)嗄芰?/STRONG>

極限短路分?jǐn)嗄芰cu和運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs，是指保護(hù)開關(guān)在規(guī)定的試驗(yàn)程序下，不要求和要求保護(hù)開關(guān)連續(xù)承載其額定電流的分?jǐn)嗄芰�。如果短路電流超出保護(hù)開關(guān)承載的能力，則可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)開關(guān)無法正常保護(hù)或出現(xiàn)嚴(yán)重的故障。而實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)常見的電池后背時(shí)間要求配置的電容組容量，其短路電流一般都遠(yuǎn)小于保護(hù)開關(guān)的短路分?jǐn)嗄芰Α?/P>

五、存在問題

上述設(shè)計(jì)方法是基于電池的初始狀態(tài)計(jì)算的靜態(tài)值，而蓄電池電壓和內(nèi)阻是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)電池老化時(shí)，內(nèi)阻可能增加60%甚至更高，而一般電池的放電終止電壓是浮充電壓的70%。綜合考慮，當(dāng)電池接近老化壽命且電池電壓較低時(shí)，短路電流可能只有原來的40%左右。如果按初始的電池狀態(tài)選擇電池保護(hù)開關(guān)，當(dāng)電池老化時(shí)，其短路電流很可能無法觸發(fā)電池開關(guān)的瞬動(dòng)保護(hù)，從而使故障擴(kuò)大化。另外設(shè)計(jì)時(shí)考慮的是理想的短路狀態(tài)，而實(shí)際上電池短路可能是復(fù)雜多變的，短路點(diǎn)的阻抗是不可忽略而且難以****衡量。這也是為什么即使嚴(yán)格按經(jīng)驗(yàn)和要求進(jìn)行了電池保護(hù)開關(guān)配置，而實(shí)際上在很多事故中電池保護(hù)開關(guān)無法脫扣的原因。

六、主動(dòng)脫扣的電池保護(hù)開關(guān)

基于以上情況，主流的UPS廠商使用了主動(dòng)脫扣電池保護(hù)開關(guān)，如艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司為大容量UPS 提供電池保護(hù)開關(guān)（BCB）盒選件，其硬件包括電池保護(hù)開關(guān)控制板、帶失壓脫扣的電池保護(hù)開關(guān)、電池保護(hù)開關(guān)控制板到UPS之間的控制線纜、電池溫度傳感器（選件）等，可以實(shí)現(xiàn)的功能有：

1、電池放電電流超過電池保護(hù)開關(guān)額定電流一定時(shí)間后，保護(hù)開關(guān)熱脫扣跳閘，起到過載保護(hù)作用

2、電池短路電流超過保護(hù)開關(guān)瞬動(dòng)電流后，保護(hù)開關(guān)磁脫扣跳閘，起到短路過流保護(hù)作用。

3、電池電壓到達(dá)放電終止電壓時(shí)，UPS主動(dòng)發(fā)跳閘觸發(fā)信號(hào)，保護(hù)開關(guān)欠壓脫扣，防止電池過放電。

4、當(dāng)直流母線電壓異常（過壓或欠壓）等嚴(yán)重故障時(shí)，UPS主動(dòng)發(fā)跳閘觸發(fā)信號(hào)，保護(hù)開關(guān)跳閘，防止故障擴(kuò)大。

5、電池過溫或電壓過壓時(shí)，UPS主動(dòng)發(fā)跳閘觸發(fā)信號(hào)，保護(hù)開關(guān)跳閘，防止電池?zé)崾Э鼗蜻^充電。

6、UPS控制系統(tǒng)****掉電，會(huì)觸發(fā)脫扣信號(hào)，保護(hù)開關(guān)跳閘，確保系統(tǒng)處于可控制范圍。

7、UPS緊急關(guān)機(jī)，也會(huì)觸發(fā)電池保護(hù)開關(guān)脫扣，可在緊急情況下切斷電池能量源。

艾默生使用的配置BCB的大容量UPS全球使用超過1萬臺(tái)，為客戶的設(shè)備安全和機(jī)房安全提供了極大的保障。

結(jié)論

隨著電池的老化和內(nèi)阻增大，**初設(shè)計(jì)的電池保護(hù)開關(guān)**可能無法起到應(yīng)有的保護(hù)作用，系統(tǒng)存在一定的隱患。而工程現(xiàn)場往往不能根據(jù)電池老化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)設(shè)置，所以選擇有主動(dòng)脫扣功能的電池保護(hù)開關(guān)**顯得十分必要。主動(dòng)脫扣功能的電池保護(hù)開關(guān)在UPS或電池異常情況下，觸發(fā)跳閘信號(hào)使電池保護(hù)開關(guān)脫扣，極大的提高了UPS供電系統(tǒng)的安全性。

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