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数据中心交流UPS电池组安全应用的问题

在数据中心中,交流UPS系统是非常重要的关键基础设施,为负载提供不间断的供电,保障网络的畅通和设备的正常运行。其中,作为电能储存的蓄电池必定是交流UPS系统的重要组成部分。

作者:侯福平来源:UPS应用|2017-11-13 05:14

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在数据中心中,交流UPS系统是非常重要的关键基础设施,为负载提供不间断的供电,保障网络的畅通和设备的正常运行。其中,作为电能储存的蓄电池必定是交流UPS系统的重要组成部分。而由于蓄电池本身特性以及种种原因,目前人们对交流UPS系统用蓄电池的认识或多或少存在着误区,应用不尽人意。实际应用中,有许多交流UPS系统的事故或故障是由蓄电池引起。因此,有必要加强对交流UPS系统中蓄电池应用的要求和蓄电池特性的了解,正确选配和使用蓄电池,以保证其能够充分地发挥应有的作用。

数据中心交流UPS电池组安全应用的几个问题

1. 蓄电池在UPS供电系统中的作用和意义

蓄电池在交流UPS系统中的主要作用是储存电能。在市电正常供电时,蓄电池通过交流UPS系统的整流-充电电路储存电能,同时对直流电路起到平滑滤波的作用,并在逆变器发生过载时,起到缓冲器的作用。一旦市电发生意外而瞬间波动甚至中断时,交流UPS系统则是由蓄电池放电供给逆变器电能,由逆变器将电池释放出的直流电转变为正弦交流电,以维持UPS的电源输出。也就是说,交流UPS系统在输入异常情况下,全靠蓄电池及时补充电能量,以确保供电不中断。

它的作用主要应包括两方面:

  • 在市电、油机供电发生波动、瞬断甚至中断时,实现供电的连续性。在供电电源的无缝隙切换过程中,保证对设备的供电不出现大于10ms以上的中断,确保设备不出现掉电。
  • 在市电、油机供电中断后,在有限的时间内作为后备能源,确保负载在一定的时间内正常用电。它是给交流UPS系统紧急供电时的最后能源保障,其所发挥的作用主要取决于蓄电池组的放电电流和容量。

因此,蓄电池组在交流UPS系统中相当于消防队、救火车。“养兵千日,用兵一时”,平常不用甚至长期不用,但紧急情况下就只有完全依赖它。

其产品的质量及运行和维护质量将直接关系着信息通信网络设备供电的安全性和可用性。

另一方面,受种种因素制约,现时阀控密封铅酸蓄电池又是交流UPS系统中最容易出现问题而且问题最不容易提前发现的薄弱环节。

因此,必须树立这样一种理念:交流UPS系统中蓄电池组的应用(包括设计、采购以及运行维护)时关注的重点,首先是它的可靠性和可用性,而不是省钱、节能减排或延长使用寿命!

2. 铅酸蓄电池的设计寿命和有效使用年限

据资料记载,我国通信部门应用铅酸蓄电池始于上世纪30年代,从最早的开口式铅酸蓄电池到上世纪60年代的防酸式铅酸蓄电池就有几十年的历程。进入20世纪80年代起,阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)作为更新换代产品,成为主流产品并一直使用。而作为交流UPS的储能部件,至今阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)仍然是主打和首选。

阀控密封铅酸蓄电池的使用寿命主要分为循环寿命和浮充寿命两种:

  • 循环寿命是指蓄电池每充电、放电一次,叫做一次充放电循环,蓄电池在保持输出一定的容量的情况下,所能进行的充放电循环次数,叫做蓄电池的循环寿命;
  • 浮充寿命是指蓄电池在规定的浮充电压和环境温度下,蓄电池可用寿命终止时的运行时长。寿命终止条件设定在低于10h率额定容量的80%.

从理论分析,阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)的设计寿命完全可以达到15~20年,在实际使用中都是以此作为依据。例如,在通信行业标准YD/T799-2002《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》对蓄电池的寿命规定为:“2V系列的蓄电池的折合浮充寿命不低于8年。6V以上系列的蓄电池的折合浮充寿命不低于8年。”而在新修订的YD/T799-2010中,是从检测试验的角度对蓄电池的寿命进一步进行了细化和规范,如表1所示。

综上所述,并结合实际使用的情况分析,目前标准规范中对蓄电池的寿命的规定是合适和可行的。目前交流UPS中使用的阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)的使用寿命之所以达不到要求,并不是技术原理和生产水平的问题。

3. 长延时蓄电池与高倍率蓄电池

在数据中心使用的蓄电池按放电类别一般可分三类,即油机发电机组用的“瞬间大电流放电”和通信电源系统用的“长延时、小电流放电”以及交流UPS系统用的“高倍率放电”。

传统通信网络设备的供电中,通信电源系统的后备时间基本上都是按照设计负荷的数个小时进行设计和配置的。例如10h、8h,至少也有3~5h.蓄电池组基本处于“长延时、小电流”充放电工作状态,蓄电池的标称容量也是以10h放电率下的容量来标定的,例如100Ah/12V、200Ah/6V、1000Ah/2V等,都是按照10h率的放电电流可以释放的电能量分别为100Ah、200Ah和1000Ah.

对于大功率的交流UPS系统由于电压较高,多选用6V或12V的蓄电池。受蓄电池容量和并联组数以及投资成本等诸多方面的限制,其后备时间最低甚至只有15min.也就是说,其蓄电池组的放电率已经远小于10h率,而蓄电池组实际放电电流要远大于10h率放电电流。蓄电池的放电方式已经转变为介于传统的通信用后备蓄电池“长延时、小电流”与启动型蓄电池的“瞬间大电流放电”之间的“高倍率”放电方式。从目前的阀控式密封铅酸蓄电池的技术和工艺结构来说,按照“长延时、小电流”设计和生产的通信用后备电池是不能完全满足这种应用要求的。

因此,同样是12V或6V单体的铅酸蓄电池,不同使用场合的选择是完全不一样的。应用在传统的通信局站、*基站等场合,应该继续选用传统的“小电流、长延时”的通信用铅酸蓄电池;而用于数据中心交流UPS系统的蓄电池组,则应选用适合大电流放电的“高倍率”蓄电池组。两者不应混淆和滥用。

4. 直流回路短路故障的危害及蓄电池组近端安装过流保护的必要性

在数据中心中的供电电源系统可以分成交流和直流两个回路。与交流回路相比较,直流回路发生故障时的影响会更大。

主要原因有以下几方面:

(1)蓄电池组短路危害性比交流电要大一般情况下,电气短路起火的首要措施是切断电源。对于交流电源而言,由于电能自上而下地来源于市电电网或柴油发电机组,当发生电气短路故障时,总会有一级保护器件产生动作,及时切断短路的电气电路。而当蓄电池组位于电源供电系统的末端,电能是自下而上提供的,只要越过了直流总配电屏的保护熔丝或蓄电池组的保护断路器,则不会再有其他的保护。发生短路故障时,往往无法有效地切断短路的电气电路。加上直流电流不像交流正弦波,没有过零点时的瞬间电动势为零,一旦发生电气短路极易引起蔓延。而发生短路后的阻抗仅取决于导线线阻和蓄电池组内阻,短路电流基本近似为无穷大,因此,蓄电池组直流电气短路的危害程度远大于交流电气短路。

(2)导致网络中断事故

通信电源中的直流供电系统是保证通信网络设备供电不中断的核心系统,后备蓄电池组是通信网络的应急供电能源所在。对于直流供电系统中,蓄电池组是直接并联在整流器输出端的直流供电回路中,正是由于有后备蓄电池组的存在,市电停电或交流侧发生电气短路中断并不会直接导致通信网络的供电中断。同样,对于交流UPS系统,只要逆变器及后续电路正常工作,后备蓄电池组就能够发挥作用。然而,若直流电源系统特别是蓄电池组发生电气短路,必然造成直流电源系统的输出电压瞬间跌落,引起负载设备掉电,导致网络中断故障,严重影响信息通信的畅通。

(3)引发机房火灾

发生蓄电池组电气短路后,若不能及时发现和切断回路,则必然引起火灾。蓄电池组的质量越好、电量越足,危害也越大。

因此,数据中心交流UPS系统中直流回路特别是蓄电池组的过流保护尤为重要。特别要注意必须在靠近蓄电池组侧配置电池保护箱,其内置开关应为直流型(或交直流两用型)断路器或熔断器,如多组蓄电池并联使用,宜设置总输出开关,且对每组蓄电池分别设置开关进行保护和操作。

5. 铅酸蓄电池电气短路故障及漏液隐患分析和检测

在交流UPS系统蓄电池组电气短路的起因中,蓄电池漏液造成对电池架短路或绝缘度下降,造成正负极通过电池架间接短路,一直是发生几率较高、最为难以判断和发现,但后果却非常严重的疑难故障。

目前对于这类故障隐患的防范措施或多或少都有一些不足:

  • 蓄电池底部增加托盘——托盘可燃;
  • 电池架增加电木板垫片——不能避免电解液的漫延;
  • 电池架对电气地绝缘——不易实施且不符合安全规范;
  • 蓄电池室安装甚早期烟雾告警系统——不及时。

现行在用的高于安全电压的直流电源系统(例如电力操作电源、通信用240V直流供电系统等)都要求采用直流回路对地悬浮工作方式,并设置有绝缘监察(Insulation Monitoring)功能系统。

所谓绝缘监察,是指在直流供电系统中,对直流输出与地的绝缘性能进行检测,判断是否发生接地故障或绝缘性能降低。当发生接地故障或绝缘性能劣化时发出告警。

绝缘监察功能主要通过检测直流供电回路中的电压和电流来实现对地绝缘电阻检测的。其中,电压检测技术主要是由绝缘监察来实时监测正、负直流母线的对地电压,通过对地电压计算出正负母线对地绝缘电阻。当绝缘电阻低于设定的报警值时,发送出告警信号。

从本质上说,蓄电池组电气短路也是一种正负极之间绝缘度下降的极端形式,而对于蓄电池漏液造成的电气短路,必然是正负极之间或者其对电池架(接地)的绝缘度下降。

从绝缘监察的工作原理可知,只要蓄电池组是对地悬浮工作,即蓄电池组的正负极回路(包括充放电电路)均不接地。就可以通过平衡桥电阻来检测是否存在蓄电池漏液或对地绝缘度下降的现象。由于这种检测方法的测量对象是蓄电池组正负极对地的电压,而不管在蓄电池组中任何一点发生接地故障或绝缘度下降,都会引起正极对地电压U1或负极对地电压U2的变化,并能够迅速地在绝缘监察系统中反映出来。因此,借助绝缘监察的检测原理,是可以实现对蓄电池组漏液的检测的。

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【责任编辑:赵宁宁 TEL:(010)68476606】

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