在數據中心中,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:
①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。
②在市電、油機供電中斷后,在有限的時間內作為后備能源,確保負載在一定的時間內正常用電。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。
其產品的質量及運行和維護質量將直接關系著信息通信網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代產品,成為主流產品并一直使用。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:
①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,叫做蓄電池的循環(huán)壽命;
②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。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。”而在新修訂的YD/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水平的問題。
3 長延時蓄電池與高倍率蓄電池
在數據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轉變?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構來說,按照“長延時、小電流”設計和生產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;而用于數據中心交流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
在數據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:
(1)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)導致網絡中斷事故
通信電源中的直流供電系統(tǒng)是保證通信網絡設備供電不中斷的核心系統(tǒng),后備蓄電池組是通信網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,市電停電或交流側發(fā)生電氣短路中斷并不會直接導致通信網絡的供電中斷。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,導致網絡中斷故障,嚴重影響信息通信的暢通。
(3)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。蓄電池組的質量越好、電量越足,危害也越大。
因此,數據中心交流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配置電池保護箱,其內置開關應為直流型(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:
①蓄電池底部增加托盤——托盤可燃;
②電池架增加電木板墊片——不能避免電解液的漫延;
③電池架對電氣地絕緣——不易實施且不符合安全規(guī)范;
④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對地絕緣度下降的現(xiàn)象,如圖1所示。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。
作者簡介
侯福平,中國電信股份有限公司廣州研究院高級技術經理、高級工程師、中國通信學會高級會長、中國通信學會電源專業(yè)委員會委員、中國電源學會高級會員。
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