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主动脱扣,蓄电池的最后防护盾

VertivCo服务2022-05-12 15:12:13


引言

铅酸蓄电池大量用于UPS系统中,而用于控制蓄电池组输出的保护开关,其作用非常重要,不仅承担着蓄电池的正常切除和接通,而且在蓄电池出现过放、过载、短路等故障时,还需具有相应的保护。


蓄电池电压使用范围较宽,内阻变化较大,因此通过静态计算得出短路电流不够精确,且无法匹配全生命周期的电池特性,使得蓄电池在系统保护设备的设定、选取和整定等方面缺少相应的依据。一旦电池保护开关选择不合理,或者不能随着电池的性能变化进行相应调整,在系统出现短路故障时无法及时脱扣,就会造成故障扩大化等严重后果。

一、UPS蓄电池系统


图一 UPS蓄电池系统图


图一为典型的包括蓄电池的UPS系统,包括蓄电池组、电池之间连接线缆或铜排、电池保护开关、蓄电池到UPS主机之间的接线及UPS主机。正常情况下,UPS主机由市电供电,并向蓄电池充电。当市电异常时,电池经UPS逆变器变换为交流电为负载供电。当出现异常情况时,如蓄电池短路、UPS主机严重故障时,电池保护开关需要脱扣,从而将电池能量源与故障点隔离,起到保护电池和防止故障扩大化的作用。

二、开关及其类型


开关由操作机构、触点、保护装置( 各种脱扣器)、灭弧系统等组成。其主触点通常是通过手动操作闭合。主触点闭合后,自由脱扣机构将主触点锁闭在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联,欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时,过电流脱扣器的衔铁吸合,使自由脱扣机构动作,主触点断开主电路。当电路过载时,热脱扣器的热元件发热使双金属片向上弯曲,推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时或通过控制系统触发欠压脱扣时,欠电压脱扣器的衔铁释放,也使自由脱扣机构动作。


交流电的每个周期都有自然过零点,在过零点容易熄弧,而直流电没有零点,电弧难以自然熄灭,因此直流系统灭弧相对困难。开关分为直流开关、交流开关和交直流两用开关。交流开关与直流开关在结构和性能上有很大区别,原则上交流开关不宜用在直流电路中。

三、蓄电池的短路电流


图二 电池短路示意图


图二为典型的电池系统短路示意图,其中R_batt为电池内阻,L_batt为电池内电感,V_batt为电池开路电压,R_int 和L_int为电池组之间连线电阻和电感,R_ext和L_ext为电池组到UPS之间的电阻和电感,R_fault 和L_fault为短路点的电阻和电感。短路电流由电池的开路电压及短路的整个回路阻抗决定,其中电感决定了故障电流的上升率,回路电阻决定了短路电流值。而短路点也有阻抗,不同的短路类型,短路点阻抗不同而且难以评估。这里仅以理想短路状态为计算模型。


电池的短路电流可以从用户手册上查或计算出来,比如从图三可以查到大某电池的短路电流为4900A@0.1sec。可以看出,电池短路电流非常大,所以短路状态下电池电压下降非常快,而随着电池电压的下降,短路电流也会迅速下降。因此,在短路时,合理的情况是电池保护开关应该触发瞬动保护立即脱扣,否则短路电流一旦下降,将可能无法使保护装置动作,整个系统就会处于不可控制的危险境地。


图三 某型号电池规格


短路电流也可计算获得,根据短路电流公式计算:短路电流=浮充电压/(电池内阻+连接铜排及接触电阻+电池线缆电阻),而实际的工程现场很难评估电池线缆阻抗和电池连接接触阻抗,所以一般可以根据经验使用简化公式计算:短路电流=浮充电压/电池内阻,然后再考虑20%的线缆及接触阻抗。例如计算电池短路电流5kA,考虑线缆阻抗和连接阻抗,则短路电流约为4kA。

四、保护开关的选择


4.1额定工作电压

指开关在正常的情况下(不间断的)工作的电压,工程上经常使用保护开关多极串联以提高工作电压。


图四 参考的电池保护开关串联接法


4.2  额定电流

保护开关的额定电流是指脱扣器能长期通过的电流,也就是指脱扣器额定电流。在UPS系统上,蓄电池保护开关的额定电流要大于正常工作条件下电池的最大放电电流,即电池放电终止电压下的放电电流。

UPS蓄电池最大放电电流=(UPS的额定容量×UPS的输出功率因数)/(逆变器效率×电池组放电终止电压),在工程现场,需要根据现场情况设置电池保护开关的额定电流不小于UPS蓄电池在放电终止时的放电电流。


4.3瞬时脱扣电流

用于短路保护,当出现短路故障时,脱扣器能够迅速动作,切断故障点,防止故障扩大化。根据前文计算的电池短路电流,现场应设定电池保护开关的瞬时脱扣电流小于蓄电池组的短路电流。


4.4短路分断能力

极限短路分断能力Icu和运行短路分断能力Ics,是指保护开关在规定的试验程序下,不要求和要求保护开关连续承载其额定电流的分断能力。如果短路电流超出保护开关承载的能力,则可能会导致保护开关无法正常保护或出现严重的故障。而实际应用中根据常见的电池后背时间要求配置的电容组容量,其短路电流一般都远小于保护开关的短路分断能力。


五、存在问题


上述设计方法是基于电池的初始状态计算的静态值,而蓄电池电压和内阻是随时间动态变化的。根据经验,当电池老化时,内阻可能增加60%甚至更高,而一般电池的放电终止电压是浮充电压的70%。综合考虑,当电池接近老化寿命且电池电压较低时,短路电流可能只有原来的40%左右。如果按初始的电池状态选择电池保护开关,当电池老化时,其短路电流很可能无法触发电池开关的瞬动保护,从而使故障扩大化。另外设计时考虑的是理想的短路状态,而实际上电池短路可能是复杂多变的,短路点的阻抗是不可忽略而且难以准确衡量。这也是为什么即使严格按经验和要求进行了电池保护开关配置,而实际上在很多事故中电池保护开关无法脱扣的原因。


六、主动脱扣的电池保护开关


基于以上情况,主流的UPS厂商使用了主动脱扣电池保护开关,如艾默生网络能源有限公司为大容量UPS 提供电池保护开关(BCB)盒选件,其硬件包括电池保护开关控制板、带失压脱扣的电池保护开关、电池保护开关控制板到UPS之间的控制线缆、电池温度传感器(选件)等,可以实现的功能有:

1、电池放电电流超过电池保护开关额定电流一定时间后,保护开关热脱扣跳闸,起到过载保护作用

2、电池短路电流超过保护开关瞬动电流后,保护开关磁脱扣跳闸,起到短路过流保护作用。

3、电池电压到达放电终止电压时,UPS主动发跳闸触发信号,保护开关欠压脱扣,防止电池过放电。

4、当直流母线电压异常(过压或欠压)等严重故障时,UPS主动发跳闸触发信号,保护开关跳闸,防止故障扩大。

5、电池过温或电压过压时,UPS主动发跳闸触发信号,保护开关跳闸,防止电池热失控或过充电。

6、UPS控制系统完全掉电,会触发脱扣信号,保护开关跳闸,确保系统处于可控制范围。

7、UPS紧急关机,也会触发电池保护开关脱扣,可在紧急情况下切断电池能量源。

图五 某型号BCB信号连接图


艾默生使用的配置BCB的大容量UPS全球使用超过1万台,为客户的设备安全和机房安全提供了极大的保障。

结论

随着电池的老化和内阻增大,最初设计的电池保护开关就可能无法起到应有的保护作用,系统存在一定的隐患。而工程现场往往不能根据电池老化情况动态调整开关设置,所以选择有主动脱扣功能的电池保护开关就显得十分必要。主动脱扣功能的电池保护开关在UPS或电池异常情况下,触发跳闸信号使电池保护开关脱扣,极大的提高了UPS供电系统的安全性。

       作者简介

江永宾

艾默生网络能源(Vertiv)技术支持部Global经理,专家,一级建造师,9年业内工作经验,对机房供配电系统设计和维护有较深的认识。

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