CN102801153A - 一种提高直流供电系统安全性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流供电系统的安全结构，在多路直流供电系统中设置合路点，引入并联供电机制，为故障电流提供转移通道，当合路点之前的多路供电线路发生部分线路断开事件时，断开线路上的电流向正常状态线路转移，使得合路点之前的部分线路断开过程是在小于起弧阀值的情况下最终完成，消除了没有合路点时产生电弧的条件，实现了无弧断开，避免了电气火灾和电击伤事故的发生。针对短路事件，对应存在熔断器、断路器等短路保护元器件；而针对断路事件，不存在对应的断路保护元器件，本发明对多路供电系统合路点之前的部分线路断开事件，通过电路结构提供了有效的断路安全保护。

Description

一种提高直流供电系统安全性的方法

技术领域  本发明涉及一种直流供电系统的安全结构。

背景技术  安全电压等级附近的48伏直流供电系统在电信行业的应用具有悠久的历史，工作电压远超安全电压等级的直流供电技术在电力、铁路等行业内的应用相对成熟，目前国内外针对计算机等信息设备，电压值在200--400V范围内的直流供电技术发展很快，中国通信行业标准《YD/T 2378--2011通信用240V直流供电系统》已于2012年2月1日正式实施，但该行业标准给出的供电系统存在安全隐患，即一旦发生供电线路断路故障或通电情况下误分断接插件、熔断器等线路断开事件时，极易产生直流电弧，直流电弧不易熄灭，容易引起电气火灾或电击伤事故。正因为普通直流电路广泛存在潜在的直流电弧安全隐患，限制了直流供电技术在各行业中的大规模推广应用。

发明内容  本发明的任务是提供一种直流供电系统安全结构的架构方法，按该方法构建的直流供电系统是一种容错系统，使得保护区域内发生的部分线路断开事件不会导致危险的电弧发生。

一种直流供电系统，由直流电源、两路或两路以上的多路直流供电线路、隔离二极管和直流负载组织而成；在多路直流供电系统中设置合路点，从该合路点为直流负载供电，合路点的建立，引入了并联供电机制，为故障电流提供了转移通道；当合路点之前发生部分线路断开事件时，断开线路上的电流向正常状态线路转移，使得断开过程是在小于起弧阀值的情况下完成，断开的部分线路中不会产生电弧；单纯考虑部分线路断开过程的安全性，多路同极直接短接即可形成合路点，为兼顾部分线路短路故障下的供电可靠性，多路直流供电线路分别经隔离二极管后形成合路点；合路点应靠近负载端设置，合路点越靠近负载保护范围越大，合路点设置在负载内部则可实现全程保护；在实际构建直流供电系统时，合路点之前的多路供电线路应采用不同的路由，防止多路同时断开情况发生。

由于本发明在多路直流供电系统中设置了直接合路点，使得合路点之前的部分线路断开过程是在小于起弧阀值的情况下最终完成，消除了没有合路点时产生电弧的条件，实现了无弧断开，避免了电气火灾和电击伤事故的发生。针对短路事件，对应存在熔断器、断路器等短路保护元器件；而针对断路事件，不存在对应的断路保护元器件，本发明对多路供电系统合路点之前的部分线路断开事件，通过电路结构提供了有效的断路安全保护。

附图说明  下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是有合路点的单电源双线路直流供电系统结构原理图。

图2是图1供电系统中单路单极断开等效电路图。

图3是图1供电系统中单路双极断开等效电路图。

具体实施方式  图1给出了有合路点单电源双线路直流供电系统的结构原理。直流电源E通过线路1、线路2为同一负载L供电，线路1、线路2正极分别经过隔离二极管D1、D2后形成合路点正极M，双线路负极分别经过隔离二极管D3、D4后形成合路点负极N。二极管的作用在于隔离单路短路故障，本发明中不讨论短路保护，为叙述方便将隔离二极管视为短接，双线路同极直接短接形成合路点，但结论仍然适用隔离二极管正常作用情况，故本发明完全适用于隔离二极管正常作用情况。

设合路点之前的线路1在A点发生单路、单极断开事件，具体分以下两种情况：

(1)导体断开过程

取断口A两端的一段微小截距dA，由欧姆定律得该截距的电阻Ra为：

Ra＝ρ×dA÷S

上式中电阻率ρ、长度dA均为常量，所以电阻Ra与截面积S成反比。由于截距dA足够小，电阻Ra的初始值很小；导体受力断开的物理过程，是截面积S由初始值向零值的变化过程，电阻Ra逐步变大，在断开瞬间，截面积S为零，而电阻Ra为无穷大。

(2)接插件、开关等的断开过程

该类断开过程，也是接触电阻由毫欧级别的初始值向无穷大的变化过程。

由此可见，无论何种性质的断开过程，从电阻角度看，都可以在断口用一个由很小的初始值向无穷大变化的串联可变电阻来模拟，如果将初始值划归相应线路段的线路电阻，则该可变电阻按零向无穷大的规律变化。

科学研究已经证明：当开断电路时，只要电路中电压大于10～2OV、电流大于80～100mA，动、静触头间就会出现电弧。电弧理论表明启弧是有阀值特性的，超过阀值产生电弧，小于阀值则不会产生电弧。建立起断开过程的电阻模型，我们即可计算断开过程的断口电流、电压。

不失一般性，下文中为计算方便，设合路点之前的两路高压供电线路每个线段的电阻均为R1，整个单路径线段的电阻为R2，线路1中的电流为I1，线路2中的电流为I2，负载电流为I。

设图1中系统在合路点之前的线路1于正极A点发生单路、单极断开事件，图2是等效电路图。由图2建立以下电流公式：

I1×(R1+Ra)＝I2×R1

I1＝I2×R1÷(R1+Ra)

初始状态下，Rao＝0，I1o＝I2o

不失一般性，为计算方便，假设在断开过程的有限时间段内，总的负载电流I＝I1+I2＝2I2o可认为是无变化的常量，由于断口电阻Ra在断开过程中逐步变大，所以I1逐步变小、I2逐步变大，断开线路1上的电流逐步向正常状态的线路2转移；工程上完全可以认为在断开瞬间，电阻Ra足够大，I1为零。

由此可得：断开瞬间该断口电流小于起弧电流阀值。

行业标准《YD/T 2378--2011通信用240V直流供电系统》规定了全线路最大线路压降不能大于12V，由图2可计算断口电压：

线路1正极单极断开，全部负载电流转移到线路2正极，断口承受合路点之前线路2正极线压降，该线压降为：I2×R1＝2×I2o×R1

单线路压降为：I×R2

双线路负极状态正常，取并联支路中的线路2压降为：

0.5I×R1＝I2o×R1

以上三部分构成全线路压降，则得下式：

2×I2o×R1+I×R2+I2o×R1≤12

3×I2o×R1≤12-I×R2

断口电压＝2×I2o×R1≤8伏

计算可得：该断口电压小于起弧电压阀值。

设图1中系统在合路点之前的线路1发生单路、双极断开事件，断口分别用A、B标注，图3是等效电路图。

断口电流计算同上文，我们仍然能够得到断口电流逐步变零、断口电流小于起弧电流阀值的结果。

线路1双极断开，双极全部负载电流转移到线路2，断口承受线路2对应线段压降。由图3建立以下全线路压降公式：

I2×R1+I×R2+I2×R1≤12

计算可得断口电压＝I2×R1≤6伏

该断口电压小于起弧电压阀值。

可见，无论合路点之前的单极还是双极断开过程，都是在断口电压、电流均小于起弧阀值的情况下最终完成，不会产生电弧。

电路试验证实了以上结论。

事实上，启弧电压阀值、启弧电流阀值并不是固定不变的，例如，隔离开关可以安全断开线路、变压器空载电流。可见是否产生电弧，电流的大小起主要作用，电流越小，启弧电压阀值越大。由于电路结构决定断口电压，而断口电流可以人为设计，我们只要保证电流足够小(趋近于零)，可以不检验电压条件，仍然可以保证无弧断开。

本发明中为叙述方便，以单电源双线路直流供电系统为例，但结论适用于包含双电源双线路系统的任意多线路直流供电系统，故本发明适用于任意的多线路直流供电系统。

Claims (5)

1.一种直流供电系统，由直流电源、两路或两路以上的多路直流供电线路和直流负载组织而成，其特征在于：

在多线路直流供电系统中设置合路点，合路点的建立，引入了并联供电机制，为故障电流提供了转移通道，当合路点之前发生部分线路断开事件时，断开线路上的电流向正常状态线路转移，使得断开过程是在小于起弧阀值的情况下完成，断开的部分线路中不会产生电弧。

2.根据权利要求1所述的直流供电系统，其特征在于：

合路点越靠近负载保护范围越大，合路点应靠近负载端设置。

3.根据权利要求2所述的直流供电系统，其特征在于：

合路点设置在负载内部可实现全程保护。

4.根据权利要求3所述的直流供电系统，其特征在于：

合路点之前的多路直流供电线路应采用不同的路由，防止多路同时断开情况发生。

5.根据权利要求4所述的直流供电系统，其特征在于：

多路直流供电线路分别经隔离二极管后形成了合路点。

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