不可不知的交流UPS電池組應用5大問題

　　UPS是一種含有儲能裝置（常見的是蓄電池），以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源，它可以解決現(xiàn)有電力的斷電、低電壓、高電壓、突波、雜訊等現(xiàn)象，使計算機系統(tǒng)運行更加安全可靠?，F(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應用計算機、交通、銀行、證券、通信、醫(yī)療、工業(yè)控制等行業(yè)，并且正在迅速地走入家庭。

　　在數(shù)據(jù)中心中，交流UPS系統(tǒng)是非常重要的關鍵基礎設施，為負載提供不間斷的供電，保障網(wǎng)絡的暢通和設備的正常運行。其中，作為電能儲存的蓄電池必定是交流UPS系統(tǒng)的重要組成部分。而由于蓄電池本身特性以及種種原因，目前人們對交流UPS系統(tǒng)用蓄電池的認識或多或少存在著誤區(qū)，應用不盡人意。實際應用中，有許多交流UPS系統(tǒng)的事故或故障是由蓄電池引起。因此，有必要加強對交流UPS系統(tǒng)中蓄電池應用的要求和蓄電池特性的了解，正確選配和使用蓄電池，以保證其能夠充分地發(fā)揮應有的作用。

　　1. 蓄電池在UPS供電系統(tǒng)中的作用和意義

　　蓄電池在交流UPS系統(tǒng)中的主要作用是儲存電能。在市電正常供電時，蓄電池通過交流UPS系統(tǒng)的整流-充電電路儲存電能，同時對直流電路起到平滑濾波的作用，并在逆變器發(fā)生過載時，起到緩沖器的作用。一旦市電發(fā)生意外而瞬間波動甚至中斷時，交流UPS系統(tǒng)則是由蓄電池放電供給逆變器電能，由逆變器將電池釋放出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)檎医涣麟?，以維持UPS的電源輸出。也就是說，交流UPS系統(tǒng)在輸入異常情況下，全靠蓄電池及時補充電能量，以確保供電不中斷。

　　它的作用主要應包括兩方面：

　　在市電、油機供電發(fā)生波動、瞬斷甚至中斷時，實現(xiàn)供電的連續(xù)性。在供電電源的無縫隙切換過程中，保證對設備的供電不出現(xiàn)大于10ms以上的中斷，確保設備不出現(xiàn)掉電。

　　在市電、油機供電中斷后，在有限的時間內(nèi)作為后備能源，確保負載在一定的時間內(nèi)正常用電。它是給交流UPS系統(tǒng)緊急供電時的最后能源保障，其所發(fā)揮的作用主要取決于蓄電池組的放電電流和容量。

　　因此，蓄電池組在交流UPS系統(tǒng)中相當于消防隊、救火車。“養(yǎng)兵千日，用兵一時”，平常不用甚至長期不用，但緊急情況下就只有完全依賴它。

　　其產(chǎn)品的質(zhì)量及運行和維護質(zhì)量將直接關系著信息通信網(wǎng)絡設備供電的安全性和可用性。

　　另一方面，受種種因素制約，現(xiàn)時閥控密封鉛酸蓄電池又是交流UPS系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)問題而且問題最不容易提前發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)。

　　因此，必須樹立這樣一種理念：交流UPS系統(tǒng)中蓄電池組的應用（包括設計、采購以及運行維護）時關注的重點，首先是它的可靠性和可用性，而不是省錢、節(jié)能減排或延長使用壽命！

　　2. 鉛酸蓄電池的設計壽命和有效使用年限

　　據(jù)資料記載，我國通信部門應用鉛酸蓄電池始于上世紀30年代，從最早的開口式鉛酸蓄電池到上世紀60年代的防酸式鉛酸蓄電池就有幾十年的歷程。進入20世紀80年代起，閥控密封鉛酸蓄電池（VRLA）作為更新?lián)Q代產(chǎn)品，成為主流產(chǎn)品并一直使用。而作為交流UPS的儲能部件，至今閥控密封鉛酸蓄電池（VRLA）仍然是主打和首選。

　　閥控密封鉛酸蓄電池的使用壽命主要分為循環(huán)壽命和浮充壽命兩種：

　　循環(huán)壽命是指蓄電池每充電、放電一次，叫做一次充放電循環(huán)，蓄電池在保持輸出一定的容量的情況下，所能進行的充放電循環(huán)次數(shù)，叫做蓄電池的循環(huán)壽命;

　　浮充壽命是指蓄電池在規(guī)定的浮充電壓和環(huán)境溫度下，蓄電池可用壽命終止時的運行時長。壽命終止條件設定在低于10h率額定容量的80%.

　　從理論分析，閥控密封鉛酸蓄電池（VRLA）的設計壽命完全可以達到15～20年，在實際使用中都是以此作為依據(jù)。例如，在通信行業(yè)標準YD/T799-2002《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》對蓄電池的壽命規(guī)定為：“2V系列的蓄電池的折合浮充壽命不低于8年。6V以上系列的蓄電池的折合浮充壽命不低于8年?！倍谛滦抻喌腨D/T799-2010中，是從檢測試驗的角度對蓄電池的壽命進一步進行了細化和規(guī)范，如表1所示。

　　綜上所述，并結(jié)合實際使用的情況分析，目前標準規(guī)范中對蓄電池的壽命的規(guī)定是合適和可行的。目前交流UPS中使用的閥控密封鉛酸蓄電池（VRLA）的使用壽命之所以達不到要求，并不是技術原理和生產(chǎn)水平的問題。

　　3. 長延時蓄電池與高倍率蓄電池

　　在數(shù)據(jù)中心使用的蓄電池按放電類別一般可分三類，即油機發(fā)電機組用的“瞬間大電流放電”和通信電源系統(tǒng)用的“長延時、小電流放電”以及交流UPS系統(tǒng)用的“高倍率放電”。

　　傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡設備的供電中，通信電源系統(tǒng)的后備時間基本上都是按照設計負荷的數(shù)個小時進行設計和配置的。例如10h、8h，至少也有3～5h.蓄電池組基本處于“長延時、小電流”充放電工作狀態(tài)，蓄電池的標稱容量也是以10h放電率下的容量來標定的，例如100Ah/12V、200Ah/6V、1000Ah/2V等，都是按照10h率的放電電流可以釋放的電能量分別為100Ah、200Ah和1000Ah.

　　對于大功率的交流UPS系統(tǒng)由于電壓較高，多選用6V或12V的蓄電池。受蓄電池容量和并聯(lián)組數(shù)以及投資成本等諸多方面的限制，其后備時間最低甚至只有15min.也就是說，其蓄電池組的放電率已經(jīng)遠小于10h率，而蓄電池組實際放電電流要遠大于10h率放電電流。蓄電池的放電方式已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻橛趥鹘y(tǒng)的通信用后備蓄電池“長延時、小電流”與啟動型蓄電池的“瞬間大電流放電”之間的“高倍率”放電方式。從目前的閥控式密封鉛酸蓄電池的技術和工藝結(jié)構來說，按照“長延時、小電流”設計和生產(chǎn)的通信用后備電池是不能完全滿足這種應用要求的。

　　因此，同樣是12V或6V單體的鉛酸蓄電池，不同使用場合的選擇是完全不一樣的。應用在傳統(tǒng)的通信局站、*基站等場合，應該繼續(xù)選用傳統(tǒng)的“小電流、長延時”的通信用鉛酸蓄電池;而用于數(shù)據(jù)中心交流UPS系統(tǒng)的蓄電池組，則應選用適合大電流放電的“高倍率”蓄電池組。兩者不應混淆和濫用。

　　4. 直流回路短路故障的危害及蓄電池組近端安裝過流保護的必要性

　　在數(shù)據(jù)中心中的供電電源系統(tǒng)可以分成交流和直流兩個回路。與交流回路相比較，直流回路發(fā)生故障時的影響會更大。

　　主要原因有以下幾方面：

　?。?）蓄電池組短路危害性比交流電要大一般情況下，電氣短路起火的首要措施是切斷電源。對于交流電源而言，由于電能自上而下地來源于市電電網(wǎng)或柴油發(fā)電機組，當發(fā)生電氣短路故障時，總會有一級保護器件產(chǎn)生動作，及時切斷短路的電氣電路。而當蓄電池組位于電源供電系統(tǒng)的末端，電能是自下而上提供的，只要越過了直流總配電屏的保護熔絲或蓄電池組的保護斷路器，則不會再有其他的保護。發(fā)生短路故障時，往往無法有效地切斷短路的電氣電路。加上直流電流不像交流正弦波，沒有過零點時的瞬間電動勢為零，一旦發(fā)生電氣短路極易引起蔓延。而發(fā)生短路后的阻抗僅取決于導線線阻和蓄電池組內(nèi)阻，短路電流基本近似為無窮大，因此，蓄電池組直流電氣短路的危害程度遠大于交流電氣短路。

　　（2）導致網(wǎng)絡中斷事故

　　通信電源中的直流供電系統(tǒng)是保證通信網(wǎng)絡設備供電不中斷的核心系統(tǒng)，后備蓄電池組是通信網(wǎng)絡的應急供電能源所在。對于直流供電系統(tǒng)中，蓄電池組是直接并聯(lián)在整流器輸出端的直流供電回路中，正是由于有后備蓄電池組的存在，市電停電或交流側(cè)發(fā)生電氣短路中斷并不會直接導致通信網(wǎng)絡的供電中斷。同樣，對于交流UPS系統(tǒng)，只要逆變器及后續(xù)電路正常工作，后備蓄電池組就能夠發(fā)揮作用。然而，若直流電源系統(tǒng)特別是蓄電池組發(fā)生電氣短路，必然造成直流電源系統(tǒng)的輸出電壓瞬間跌落，引起負載設備掉電，導致網(wǎng)絡中斷故障，嚴重影響信息通信的暢通。

　?。?）引發(fā)機房火災

　　發(fā)生蓄電池組電氣短路后，若不能及時發(fā)現(xiàn)和切斷回路，則必然引起火災。蓄電池組的質(zhì)量越好、電量越足，危害也越大。

　　因此，數(shù)據(jù)中心交流UPS系統(tǒng)中直流回路特別是蓄電池組的過流保護尤為重要。特別要注意必須在靠近蓄電池組側(cè)配置電池保護箱，其內(nèi)置開關應為直流型（或交直流兩用型）斷路器或熔斷器，如多組蓄電池并聯(lián)使用，宜設置總輸出開關，且對每組蓄電池分別設置開關進行保護和操作。

　　5. 鉛酸蓄電池電氣短路故障及漏液隱患分析和檢測

　　在交流UPS系統(tǒng)蓄電池組電氣短路的起因中，蓄電池漏液造成對電池架短路或絕緣度下降，造成正負極通過電池架間接短路，一直是發(fā)生幾率較高、最為難以判斷和發(fā)現(xiàn)，但后果卻非常嚴重的疑難故障。

　　目前對于這類故障隱患的防范措施或多或少都有一些不足：

　　蓄電池底部增加托盤——托盤可燃;

　　電池架增加電木板墊片——不能避免電解液的漫延;

　　電池架對電氣地絕緣——不易實施且不符合安全規(guī)范;

　　蓄電池室安裝甚早期煙霧告警系統(tǒng)——不及時。

　　現(xiàn)行在用的高于安全電壓的直流電源系統(tǒng)（例如電力操作電源、通信用240V直流供電系統(tǒng)等）都要求采用直流回路對地懸浮工作方式，并設置有絕緣監(jiān)察（Insulation Monitoring）功能系統(tǒng)。

　　所謂絕緣監(jiān)察，是指在直流供電系統(tǒng)中，對直流輸出與地的絕緣性能進行檢測，判斷是否發(fā)生接地故障或絕緣性能降低。當發(fā)生接地故障或絕緣性能劣化時發(fā)出告警。

　　絕緣監(jiān)察功能主要通過檢測直流供電回路中的電壓和電流來實現(xiàn)對地絕緣電阻檢測的。其中，電壓檢測技術主要是由絕緣監(jiān)察來實時監(jiān)測正、負直流母線的對地電壓，通過對地電壓計算出正負母線對地絕緣電阻。當絕緣電阻低于設定的報警值時，發(fā)送出告警信號。

　　從本質(zhì)上說，蓄電池組電氣短路也是一種正負極之間絕緣度下降的極端形式，而對于蓄電池漏液造成的電氣短路，必然是正負極之間或者其對電池架（接地）的絕緣度下降。

　　從絕緣監(jiān)察的工作原理可知，只要蓄電池組是對地懸浮工作，即蓄電池組的正負極回路（包括充放電電路）均不接地。就可以通過平衡橋電阻來檢測是否存在蓄電池漏液或?qū)Φ亟^緣度下降的現(xiàn)象。由于這種檢測方法的測量對象是蓄電池組正負極對地的電壓，而不管在蓄電池組中任何一點發(fā)生接地故障或絕緣度下降，都會引起正極對地電壓U1或負極對地電壓U2的變化，并能夠迅速地在絕緣監(jiān)察系統(tǒng)中反映出來。因此，借助絕緣監(jiān)察的檢測原理，是可以實現(xiàn)對蓄電池組漏液的檢測的。