UPS电源系统蓄电池的选择和维护

UPSUPS 电源系统蓄电池的选择和维护电源系统蓄电池的选择和维护 作者 徐卫民 摘摘 要要 介绍了选用 UPS 蓄电池时应考虑的几个重要因素 并提出 了使用和维护时应注意的问题 关键词关键词 不间断电源 蓄电池 AbstractAbstract This paper introduces the mainly focuses on the selection use and maintenance of UPS battery KeywordsKeywords UPS battery 1 1 引言 引言 我厂化工装置和公用工程装置的操作 监视 控制都采用 DCS 系统 如何向 DCS 系统提供高质量 安全可靠的电源就显得非常重 要 我厂采用 UPS 向 DCS 系统供电 UPS 系统由整流模块 充电模 块 蓄电池 逆变模块 自动旁路开关 手动维修旁路开关等组成 UPS 可以向 DCS 提供高质量 安全可靠的电源 保证化工生产的安 全 稳定 可靠 可是不少电气工程人员在配置电源时 往往比较 注重不间断电源 UPS 主机的性能 忽视了对 UPS 配套蓄电池的选择 不恰当的配套蓄电池选择往往会造成 UPS 后备时间不足 电池不能 放电等事故 严重影响 UPS 的质量 2 2 UPSUPS 的工作原理的工作原理 系统的工作原理 将供电质量较差的厂用电源首先经整流 装置变换成直流电源 一路经充电模块向蓄电池充电 另一路采用高 频脉宽调制 法在逆变装置内重新将直流电源变成纯正的 高质量的正弦波电源向负载供电 当交流工作电源消失或整流装置 等元器件故障时 由蓄电池组经电池开关向逆变装置供电 当逆变装 置故障输出电压异常或过载时 则切换到自动旁路开关由厂用电直接 向负载供电 3 3 UPSUPS 蓄电池的种类蓄电池的种类 UPS 要求所选用的蓄电池必须具有在短时间内输出大电流的特 性 目前 在线运行的蓄电池基本上有两种 它们都属于铅酸蓄电 池 3 13 1 防酸隔爆铅酸蓄电池 防酸隔爆铅酸蓄电池 这种电池在早期的 UPS 系统中使用较多 只要维护得当 会有较长 的使用寿命 但由于在运行中存在大量的电解液水分散失 需经常 性地测量电解液的温度 密度 往电池内部添加蒸馏水 维护工作 量极大 现在的 UPS 系统中已很少配用 3 23 2 阀控式密封铅酸蓄电池 阀控式密封铅酸蓄电池 VRLA VRLA 因其体积较小 密封性能好 绝少维护而被广泛应用于各类 UPS 电源中 VRLA 防止电池内部电解液流动有两种技术方法 一种 技术是将硫酸电解液与 SiO2 胶体混合后充满电池内部 制成胶体电 池 简称 GEL 这类产品产量较低 约占 VRLA 电池总量的 15 另 一种技术是利用超细玻璃棉将电解液不饱和地吸附住 制成吸液式 电池或贫液式电池 简称 AGM 由于后者具有较好的大电流放电性 能 在 UPS 系统中较多采用 国内厂家也大多生产 AGM 蓄电池 4 4 UPSUPS 蓄电池的选择蓄电池的选择 4 14 1 蓄电池容量 蓄电池容量 Ah Ah 的选择的选择 蓄电池容量 Ah 是指在标准环境温度下 每 2V 电池单体在给定 时间至 1 80V 终止电压时 可提供的恒定电流值 A 与持续放电时间 h 的乘积 给定持续放电时间为 10h 的容量称为 10h 率容量 用符 号 C10 来表示 蓄电池容量可用 20h 率 10h 率 8h 率 5h 率 3h 率 1h 率 0 5h 率等多种方法表示 一般采用 C10 作为蓄电池的额 定容量来标称蓄电池 额定容量是蓄电池的主要参数 不少工程人 员就认为 两种品牌相同额定容量的蓄电池可以在同一套 UPS 系统 中替代使用 这种观点是有偏颇的 因为两种蓄电池具有相同额定 容量 只表示它们的 10h 放电性能一致 但在 10min 30min lh 3h 等时间内可提供的恒功率值和恒电流值则可 能差异较大 而 UPS 后备时间通常不到 10h 所以 UPS 配用蓄电池 时 考察其在后备时间内的放电性能就尤为重要 在已知 UPS 主机一些基本参数和确定蓄电池品牌后 我们就可 以根据这一蓄电池品牌样本资料中提供的恒功率放电数据表或恒流 放电曲线 通过功率定型法或电流定型法来计算确定蓄电池的容量 和型号 1 功率定型法 这种方法比较简便 根据蓄电池恒功率放电参数表可以快速准 确地选出蓄电池型号 首先计算在后备时间内 每个 2V 的蓄电池至 少应向 UPS 提供的恒功率 P Scos N K 1 式中 S UPS 标称输出功率 cos UPS 输出功率因数 逆变器效率 N 在 UPS 中以 12V 电池计算时所需的串联电池个数 由 UPS 正常工作电压确定 K 系数 厂家提供的电池恒功率放电 数据表 一般是以 2V 单元电池为计算基准的 12V 节电池相当于 6 个 2V 单元串联 此时取 K 6 如果电池厂家提供的电池恒功率放 电数据表是以 12V 单元电池为计算基准的 则 K 1 然后确定蓄电 池的放电终止电压 UT UT Umin N 6 2 式中 Umin UPS 最低工作电压 我们可以在厂家提供的 UT 下的恒功率放电参数表中 找出等于 或稍大于 P 的功率值 这一功率值所对应的型号即能满足 UPS 系统 的要求 如果表中所列的功率值均小于 P 可通过多组电池并联来 达到功率要求 一般并联不应超过 4 组 下面举例说明 例如一台 80kVA 梅兰日兰 UPS 后备 15min 已 知 UPS 输出功率因数 cos 为 0 8 逆变器效率 为 0 94 正常工 作电压为 384V 最低工作电压 Umin 为 320V 则配套蓄电池组 N 应 为 32 节 384V 12V 12V 节电池串联 根据式 1 得出 P 354 6W 根据式 2 得出放电终止电压 UT 1 67V 如我们选用美国 GNB Sprinter 系列电池 根据 GNB Sprinter 样本提供的在 25 时每单 元恒功率放电数据表 查找 15min 列下等于或稍大于 354 6W 的功率 值为 373W 对应的型号为 S12V370 其额定容量为 100Ah 也就是 说 用 32 节 GNB S12V370 蓄电池串联 可以满足该 UPS 系统的要求 如果选用 2V 节电池串联 则在 2V 系列电池的恒功率放电数据表 中查出相应型号 整组串联电池数量为 6N 2 电流定型法 这是根据某一品牌蓄电池的恒流放电曲线来确定蓄电池容量和 型号的方法 首先计算 UPS 系统要求的蓄电池最大放电电流 Imax Scos Umin 3 式 3 中各符号的含义与功率定型法中所定义的相同 在计算出 电池串联数量 N 和放电终止电压 UT 后 就可以根据 UPS 要求的后备 时间从蓄电池恒流放电曲线中查出放电速率 n 然后根据放电速率 的定义 n Imax C10 得出配置蓄电池的额定容量 C10 并确定电池 型号 下面仍以 80kVA 梅兰日兰 UPS 后备 15min 系统配套美国 GNB Sprinter l2V 电池为例来说明 首先按式 3 计算蓄电池的最大放 电电流 Imax 212 8A 由式 2 得出每 2V 单元的放电终止电压 UT 1 67V 在 sprinter 恒流放电曲线图 图 1 中 根据后备时间 15min 横坐标 和放电终止电压 1 67V 纵坐标 可得出放电速率 n 为 2 13C 容量 据此可得电池的额定容量为 C Imax n 100Ah 即 C10 100Ah 所对应的型号为 S12V370 即用 32 节 GNB S12V370 电池串联能满足系统要求 图 1 4 24 2 蓄电池寿命的选择 蓄电池寿命的选择 蓄电池的寿命有两项衡量指标 一是浮充寿命 即在标准温度 和连续浮充状态下 蓄电池能放出的最大容量不小于额定容量的 80 时 所使用的年限 二是 80 深度循环充放电次数 即满容量电池放掉 额定容量的 80 后再充满电 如此可循环使用的次数 通常 工程技术人员仅注重前者 而忽略了后者 80 深度循环 充放电次数代表着蓄电池实际可以使用的次数 在经常停电或市电 质量不高的情况下 当蓄电池的实际使用次数已经超过规定的循环 充放电次数时 尽管实际使用时间还没达到标定的浮充寿命 但蓄 电池其实已经失效 如果不能及时发现则会带来较大的事故隐患 所以 在选择蓄电池时 我们对两项寿命指标都应予以重视 在市 电经常中断的条件下 后者就尤为重要 在选择 UPS 配套蓄电池时 我们应考虑足够的浮充寿命裕量 根据经验 蓄电池的实际使用寿 命往往只有标定浮充寿命的 50 80 这是因为蓄电池实际浮充寿 命与定义标准温度 实际环境温度 电池充电电压 使用维护等众 多因素有关 当实际环境温度比定义标准环境温度每升高 10 蓄 电池会因为内部化学反应速度增加一倍而导致浮充寿命缩短一半 所以 UPS 蓄电池机房应配备空调设备 在定义温度值方面 欧洲 标准为 20 中国 日本 美国等标准为 25 20 10 年浮充寿 命的蓄电池如换算到 25 标准 仅相当于 7 8 年浮充寿命 配套蓄电池的标称浮充寿命应该是用我们希望的蓄电池实际使 用寿命除以一个寿命系数后所得的数值 这一寿命系数通常凭经验 确定 蓄电池可靠性高的可取为 0 8 可靠性低的可取为 0 5 4 34 3 单个蓄电池电压的选择 单个蓄电池电压的选择 VRLA 按单节电压分有 12V 节 6V 节 4V 节和 2V 节等四 种不同形式 从经济方面来看 UPS 正常工作电压一定 选用的电 池单节电压越高 电池组所用的串联电池数量越少 配套电池组的 价格也越便宜 但从安全性方面来看 选用的电池单节电压越低 整个系统越安全 如果 12V 节的电池坏了一节 整个蓄电池后备 系统就少了 12V UPS 主机就有可能开启低压报警功能使整个 UPS 系 统不能正常工作 所以在选用 12V 节蓄电池时 多采用多组并联 来达到 UPS 系统要求 万一有一组出问题 还有其他组的电池可运 作 4 44 4 蓄电池所能承受的纹波系数 蓄电池所能承受的纹波系数 在 UPS 系统中 蓄电池还起到滤波器的作用 承受 UPs 输入纹 波电压和纹波电流的冲击 如果所选蓄电池承受纹波系数的能力较 差 而纹波系数又比较大 则会使蓄电池过早地失效而引起不能放 电的事故 IEC 蓄电池标准规定 VRLA 应能承受 0 5 的纹波系数 但使用 UPS 的场合 纹波系数都比较大 有的甚至达到 2 所以应 对蓄电池的可承受纹波系数按实际情况提出要求 4 54 5 蓄电池性能均一性 蓄电池性能均一性 从理论上讲 蓄电池的电压 内阻 寿命等性能应该是一致的 可以无限多组数地进行并联以达到要求的容量 但在实际生产过程 中 由于所用材料纯度 生产工艺 工作人员 生产环境温度等差 异 同一条流水线上制造的蓄电池通常在性能上有一定的差异 即 使同一品牌同一型号相同生产日期生产的蓄电池 性能也不可能做 得完全一致 这一点可以通过测量比较蓄电池的单节开路电压看出 来 工程人员通常采用便宜的小容量电池多组并联来达到 UPS 要求 的较大蓄电池容量 如果采用性能均一性较差的电池多组并联 性 能差 电压低的电池组就会将性能好的蓄电池组拖垮 导致整套 UPS 蓄电池系统提前失效 目前性能均一性主要根据蓄电池电压均 一性来衡量 国内有多种标准要求 例如信息产业部 YD T 799 1996 标准要求为 25 时整组蓄电池 2V 单元浮充电压差不大于 50mV 开路电压差不大于 20mV 电力部 DL T637 1997 标准要 求是 25 时 如电池系统采用 2V 节电池 开路电压最高的一节 与最低的一节差异不超过 30mV 6V 节电池不超过 40mV 12V 节 电池则不超过 60mV 一般蓄电池并联组数不应超过 4 组 为防止整 套蓄电池系统的提前失效 在选择蓄电池时 应该在性能均一性方 面提出要求 当确定了蓄电池型号之后 在一套 UPS 系统中最好要 求厂家提供同一批次的蓄电池产品 以减小性能方面的差异 同样 道理 不同品牌或者新旧程度不同的蓄电池 由于存在较大的性能 差异 建议不要混合使用 最后 要特别指出的是即使选择了恰当 的 VRLA 也需要进行一些必要的日常维护和管理 避免蓄电池过早 失效 5 5 UPSUPS 蓄电池的维护蓄电池的维护 随着科技的不断发展 UPS 的性能越来越好 平均无故障工作 时间越来越长 整机的可靠性越来越高 做好 UPS 中消耗品蓄电池 的维护变得尤为重要 5 15 1 新电池的初充电 新电池的初充电 新的蓄电池在安装完毕后 一般要进行一次较长时间的充电 充电电源要按照说明书中的规定进行充电 待电池组充电完毕后 进行一次放电 放电后再次充电 目的是延长电池的使用寿命 提 高电池的活性和充放电特性 5 25 2 定期充放电 定期充放电 UPS 电源内部的蓄电池长期闲置不用或使蓄电池长期处在浮充 状态而不放电 会导致电池中大量的硫酸铅吸附到电池的阴极表面 形成所谓的电池阴极板的 硫酸盐化 由于硫酸铅是一种绝缘体 它的形成必将对电池的充放电产生极不好的影响 因为在阴极板上 形成的硫酸盐越多 电池的内阻越大 电池的可充放电性能越差 从而导致电池 老化 活性 下降 使蓄电池的使用寿命大大 缩短 应该每隔 3 4 个月 人为地通过中断市电或通过软件 硬件 控制手段将 UPS 的整流器 充电器置于关闭状态 让 UPS 中的蓄电 池放电 对于这种为 激活 电池而进行的电池放电操作 它的放 电时间以控制在正常放电时间的 1 3 1 4 为宜 5 35 3 严禁深度放电 严禁深度放电 密封免维护蓄电池的使用寿命与蓄电池的放电深度密切相关 放电深度是指用户在蓄电池使用的过程中 电池放出的安时数占它 的标称容量安时数的百分比 深度放电会造成蓄电池内部极板表面 硫酸盐化 导致蓄电池的内阻增大 严重时会使个别电池出现 反 极 现象和电池的永久性损坏 电池的放电深度严重影响电池的使 用寿命 非迫不得已 不要让电池处于深度放电状态 5 45 4 尽量避免过电流充电 尽量避免过电流充电 过流充电易造成电池内部的正负极板弯曲 使极板表面的活性 物质脱落 造成电池可供使用容量下降 严重的会造成电池内部极 板短路而损坏 5 55 5 尽量避免蓄电池过压充电 尽量避免蓄电池过压充电 过压充电往往会造成蓄电池电解液所含的水被电解分离成氢气 和氧气而逸出 从而使电池使用寿命缩短 5 65 6 更换活性下降 内阻过大的电池 更换活性下降 内阻过大的电池 1 随 UPS 电源使用时间的延长 总有部分电池的充放电特性 会逐渐变坏 端电压明显下降 这种电池的性能不可能再依靠 UPS 电源内部的充电电路来解决 继续使用会存在隐患 应及时更换 2 对于蓄电池内阻增大 用正常的充电电压对电池进行充电 已不能使蓄电池恢复其充电特性的电池应及时更换 电池的内阻一 般在 10 30m 如电池的内阻超过 200m 上 将不足以维持 UPS 的正常运行 对内阻偏大的电池必须更换 5 75 7 避免蓄电池新