目前,數(shù)據(jù)中心UPS配置的蓄電池主要是閥控式密封鉛酸蓄電池。文中對鉛酸蓄電池的選用原則、各類鉛酸蓄電池的對比、主要技術(shù)指標、使用壽命以及蓄電池的保護、安裝環(huán)境要求等做了簡單介紹,并以實例介紹了電池容量的計算方法。最后,簡述了UPS電池開關(guān)的設(shè)計和選型。

1 UPS配套蓄電池概述

UPS設(shè)備以及以它為核心的整個供電系統(tǒng),是滿足數(shù)據(jù)中心供電質(zhì)量的最核心部分,而蓄電池又是整個系統(tǒng)中最重要的組成之一,是整個供電系統(tǒng)的“最后一道屏障”。特別值得注意的是,在UPS系統(tǒng)的故障中,與蓄電池有關(guān)的原因占30%以上,因此對蓄電池設(shè)計、選配、維護等進行規(guī)范化有著重要的意義。

對蓄電池的基本原理、特性、選配原則、設(shè)計計算、安裝、維護等相關(guān)事宜給出指導(dǎo)性原則和規(guī)范,對延長蓄電池的使用壽命和確保數(shù)據(jù)機房UPS設(shè)備的安全穩(wěn)定運行具有重大意義,最終保障UPS系統(tǒng)不停電功能的實現(xiàn)。

目前數(shù)據(jù)中心UPS配置的蓄電池主要是閥控式密封鉛酸電池(VRLA),但隨著電池技術(shù)的發(fā)展和完善,鋰電池和燃料電池也逐漸成為用戶的在未來的選擇之一。

數(shù)據(jù)中心UPS蓄電池的選擇和設(shè)計必須充分考慮到現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的特點和發(fā)展趨勢,并符合下述原則:

(1)短時間恒功率輸出特性卓越

卓越的短時間(通常≤30min)恒功率輸出特性,意味著在滿足相同負載后備時間要求下可減小電池的容量,從而降低蓄電池成本;或采用相同容量的電池配置,可增加UPS系統(tǒng)總后備時間。

(2)高能量密度

選配合適的電池類型和容量、設(shè)計合理的組裝結(jié)構(gòu),最優(yōu)化的利用機房空間,提高蓄電池組的整體能量密度,有利于降低機房面積和成本。

(3)高穩(wěn)定性

蓄電池在有效壽命期間內(nèi),應(yīng)有較低的故障率,盡量避免因個別蓄電池的故障或突然失效而造成的維修或更換,這對整個蓄電池系統(tǒng)的后期安全穩(wěn)定具有重大意義。

(4)防火阻燃

數(shù)據(jù)中心的UPS電池外殼塑料材質(zhì)應(yīng)滿足V0級阻燃標準,電池端子、連接件及輸出母線端子所有裸露金屬部分應(yīng)全部做絕緣保護處理,電池架需接地。

(5)一致性

數(shù)據(jù)中心UPS電池組的各單體的容量、開路電壓、浮充電壓等指標的一致性應(yīng)符合相關(guān)標準。

(6)抗震性

數(shù)據(jù)中心UPS電池組架設(shè)計滿足抗8級烈度要求,電池之間連接建議采用軟連接。

(7)便于安裝與擴容

蓄電池的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計及專用安裝工具的提供,可降低整體安裝成本。電池組擺放位置和電池組架的設(shè)計應(yīng)預(yù)留后期擴容的位置需求。

(8)便于維護及更換

電池組擺放及維護通道的距離,應(yīng)滿足日常維護及電池更換的要求。

(9)長使用壽命

數(shù)據(jù)中心UPS電池應(yīng)有合理的使用壽命要求,過短的使用壽命將增加UPS系統(tǒng)的不穩(wěn)定性及成本。

2 VRLA蓄電池的種類

作為后備用途的VRLA電池按單體電壓等級分為2V、6V、12V等系列。按固定電解液的方式可分為AGM(超細玻璃纖維)電池和GEL(膠體)電池,其對比分別見表1和表2。

　　3 蓄電池主要技術(shù)指標及使用壽命

(1)蓄電池主要技術(shù)指標

①正常工作條件

工作溫度:-15～+45℃;

蓄電池貯存溫度:5～+40℃;

相對濕度:≤90%(25℃);

②安裝方式

可滿足立式或臥式安裝條件。

蓄電池抗震加固應(yīng)符合YD5096-2005《通信用電源設(shè)備抗地震性能檢測規(guī)范》的要求;

③蓄電池組按照“YD/T799-2010”規(guī)定的相關(guān)方法試驗,10h率容量第一次循環(huán)不低于0.95C10,在第三次循環(huán)應(yīng)達到C10,3h和1h率的容量應(yīng)分別在第四次和第五次以前達到,放電終止電壓應(yīng)符合表3的規(guī)定;

④溫度特性

蓄電池在工作環(huán)境溫度為0℃時的容量應(yīng)不低于該電池實際容量(25℃時的C10)的80%;

⑤容量保存率

蓄電池靜置28天后其容量保存率不低于96%;

⑥密封反應(yīng)效率

蓄電池密封反應(yīng)效率應(yīng)不低于97%;

⑦蓄電池端電壓的均衡性

單體蓄電池和由若干個單體組成一體的組合蓄電池,其各電池間的開路電壓最高與最低差值不大于20mV(2V)、100mV(12V)。蓄電池組進入浮充狀態(tài)24h后,各蓄電池之間的端電壓差值不大于90mV(2V)、480mV(12V);

⑧電池連接條壓降

蓄電池按1h率電流放電,在兩只電池極柱根部測量的電池之間的連接條電壓降≤10mV;

⑨防酸霧性能

蓄電池在正常浮充工作過程中應(yīng)無酸霧逸出;

⑩防爆性能

蓄電池在充電過程中遇有明火,內(nèi)部應(yīng)不引燃、不引爆;

阻燃性能

蓄電池殼、蓋應(yīng)符合GB/T2408-1996中的第8.3.2FH-1(水平級)和第9.3.2FV-0(垂直級)的要求。電池連接線或電池連接片護套應(yīng)選擇阻燃性材料;

氣密性

蓄電池應(yīng)能承受50kPa的正壓或負壓而不破裂、不開膠,壓力釋放后殼體無殘余變形;安全閥要求蓄電池安全閥應(yīng)具有自動開啟和自動關(guān)閉的功能,其開閥壓應(yīng)是10～35kPa,閉閥壓應(yīng)是3～15kPa。

蓄電池外觀不得有變形、漏液、裂紋及污跡,標志要清晰;

過放電性能要求

以C10電流放電至接近0V,短接24h,再用2.35V/單體恒壓限流C10充48h然后進行C10容量檢測,連續(xù)進行五次循環(huán)后蓄電池實放容量應(yīng)不小于0.90C10實際容量(25℃時C10)。

(2)使用壽命

在電池的實際使用過程中,當電池的實際放電容量低于額定容量的80%,即認為該電池失效或壽命終止。

幾種典型的失效模式如下:

①板柵腐蝕

蓄電池正極板柵在浮充使用時會產(chǎn)生腐蝕,當腐蝕深度達到極板厚度的50%時,蓄電池壽命終止。同時在腐蝕過程中,正極板柵會產(chǎn)生變形和伸長,稱為正極板柵增長,導(dǎo)致板柵筋條斷裂,容量將完全喪失;

②負極板極耳和連接條(匯流條)腐蝕負極板極耳和連接條(匯流條)表面會因為氧氣再化合反應(yīng)和電解液中的硫酸鹽雜質(zhì)引起化學(xué)腐蝕。同時在高電流密度下放電時,負極很容易發(fā)生鈍化,使得電極表面變成孔隙小的致密層;

③失水干涸失水的原因有:

·過充電產(chǎn)生的氣體析出;

·從電池殼體中滲出水;

·板柵腐蝕消耗水;

·自放電損失水。

其中過充電造成的氣體析出是實際使用中電池失水干涸,造成電池容量下降的最主要原因。

④熱失控

若閥控鉛酸蓄電池長時間處于環(huán)境溫度過高或充電設(shè)備電壓失控的狀況下,會造成電池內(nèi)部溫度過高,此時電池內(nèi)阻下降,充電電流又會進一步升高,內(nèi)阻進一步降低,如此反復(fù)形成惡性循環(huán)。

熱失控會使電池殼體嚴重變形、漲裂。為杜絕熱失控的發(fā)生,要采用相應(yīng)的措施:

·充電設(shè)備應(yīng)有溫度補償功能或限流功能;

·嚴格控制安全閥質(zhì)量,以使電池內(nèi)部氣體正常排出;

·蓄電池要設(shè)置在通風良好的位置,并控制電池溫度。

⑤負極硫酸鹽化

當蓄電池經(jīng)常處于放電后擱置造成的充電不足或過放電時,負極就會逐漸形成一種粗大堅硬的硫酸鉛,用常規(guī)方法充電很難使它轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì),從而減少了電池容量,甚至成為蓄電池壽命終止的原因,這種現(xiàn)象稱為“不可逆硫酸鹽化”。

4 電池容量計算方法

(1)恒功率法(查表法)

恒功率法(查表法)是UPS蓄電池容量計算的最常用方法。

蓄電池恒功率數(shù)據(jù)都來自于新電池試驗數(shù)據(jù),恒功率法(查表法)并沒有考慮蓄電池的折舊以及溫度的變化,故該方法適用于UPS蓄電池運行環(huán)境穩(wěn)定,且UPS負荷長時間在額定容量80%以下運行時選用。

①計算公式

恒功率法是能量守恒定律的體現(xiàn),蓄電池提供的功率等于或大于負荷消耗的功率,即

P負荷≤P電池 (1)

式中,P電池--電池實際試驗的恒功率數(shù)據(jù);

P 負荷--電池組提供的總功率,主要是負荷消耗的功率。

當以UPS為負荷時,P負荷可表示為

(2)

式中,P(VA)--UPS標稱容量(VA);

PF--UPS功率因數(shù);

η--逆變器轉(zhuǎn)換效率。

每個電池單體需要提供的功率為

(3)

式中,Pnc--每個單體需要提供的功率;

n--機器配置的電池數(shù)量;

N—每節(jié)電池的單體電池數(shù)。如12V電池是由6個2V單體電池組成的,則N=6;

②計算實例

100kVA UPS,后備時間30min,計算電池配置。

首先確認參數(shù)要求:

·恒功率數(shù)據(jù)表(25℃,電池單體終止電壓Umin=1.70V);

·UPS的逆變效率η;

·UPS單組電池只數(shù)n。

查恒功率放電數(shù)據(jù)表(表4),可得到如下的配置方案:

　　由式(2)和式(3)可得

選用12NP100型蓄電池,查表(4),在Umin=1.70V,放電時間30min,單格恒功率為198W。

將P(VA)=100kVA=100×103VA、PF=0.8、N=6、n=36、η=0.95代入式(4)

得Pnc=390(W)

兩組12NP-100蓄電池(每組36只)恒功率198×2=396>390(W),滿足UPS運行30min的后備時間,或者選擇一組12NP-200蓄電池(每組36只)。

(2)估算法

該方法是和電力公式和蓄電池容量概念的體現(xiàn)。根據(jù)已經(jīng)確定的UPS品牌及型號,可知蓄電池組最低電壓Umin。

①計算公式

式中，

C10—蓄電池10小時率容量;

KCh—容量換算系數(shù)(1/h),根據(jù)蓄電池不同、放電時率不同,在放電終止電壓下,電池的容量換算系數(shù)。

在UPS系統(tǒng)中,多數(shù)情況負荷容量是保持不變的,而電池組的功率隨著放電時間逐漸降低,根據(jù)P=UI可知,為提供恒定的負荷容量,電池組放電電流將逐漸增大。為了計算方便,我們選擇蓄電池組的最大工作電流為我們的計算數(shù)據(jù)。

具體計算如下:

式中,Imax--電池組提供最大電流;

Umin--電池組最低工作電壓值。

從估算法的計算公式可以看出,由于采用了電池組最低工作電壓值Umin,所以會導(dǎo)致要求的蓄電池組的安時容量偏大的情況。這是因為當蓄電池在剛放電時所需的放電電流明顯小于Imax的緣故。

按目前的使用經(jīng)驗,可以在計算出C10值的基礎(chǔ)上再乘以0.75的校正系數(shù);

②計算實例

100kVA的UPS,后備時間30min,計算電池配置。

根據(jù)公式計算如下:

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(7)得

由式(6)可得C10=Imax/KCh=229÷0.9=255(Ah)

根據(jù)經(jīng)驗還要乘以0.75的系數(shù)校正,結(jié)果C10=191(Ah),可選擇12NP-100電池2組或者1組12NP-200電池。

(3)電源法

該方法是在所介紹的UPS后備蓄電池容量計算方法中唯一標準(通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范YD/T5040-2005)支持的方法。該方法比估算法更全面考慮UPS電池在整個服役期間的電池狀態(tài),在電池運行環(huán)境溫度變化較大時,更能準確計算出電池的容量。

①具體計算

上面兩式中,I—電池組電流(A);

Q—電池組容量(Ah);

PF—功率因數(shù),取值0.8;

K—電池保險系數(shù),取值1.25;

T—電池放電時間(h);

H—電池放電系數(shù)(見表5);

U—蓄電池放電時的輸出電壓(V)(單體電池電壓為1.85V);

A—電池溫度系數(shù)(1/℃),當放電小時率≥10時,取0.006,當1≤放電率<10時,取0.008,當放電率<1時,取0.01;

T—電池所在地最低環(huán)境溫度值,所在地有采暖設(shè)備時,按15℃考慮。無采暖設(shè)備時,按5℃考慮;

η—逆變器轉(zhuǎn)換效率。

此方法比較全面地考慮環(huán)境因素以及蓄電池容量衰減,UPS滿荷使用機率較大,以及重要使用場合選用此方法計算配置電池容量。

②計算實例

100kVA的UPS,后備時間30min,計算電池配置。

將P(VA)=100×103、PF=0.8、η=0.95、U=1.85、N=36、n=6一并代入式(8)得I=211(A)

將蓄電池終止電壓=1.75V,根據(jù)表5查得在放電時間為30min(0.5h)時,電池放電容量系數(shù)H=0.40以及I=211、K=1.25、T=0.5h、η=0.95、t=25℃代入式(9)得Q≥347(Ah)

結(jié)果需要2組12NP-200電池,每組36只。

5 UPS與蓄電池的連接與物理保護

(1)蓄電池內(nèi)部連接線(連接板)

①連接線(連接板)截面積,要根據(jù)電池組最大放電電流進行配置。如4(1)節(jié)中的例子,100kVAUPS,后備時間15min,采用恒功率計算方法配置蓄電池時,通過計算可知,蓄電池的最大電流為230A,連接線(連接板)的截面積要滿足安全通過230A的電流;

②多組電池并聯(lián)時要考慮單組電池供電的極端情況。如100kVAUPS,后備時間15min,如果采用一組配置,連接線(連接板)的截面積要滿足安全通過230A的電流;若采用兩組配置,則每組的連接線(連接板)的截面積要滿足安全通過230A的電流;若采用三組配置,考慮到其中一組電池需要檢修退出系統(tǒng)時,其余兩組的連接線(連接板)的截面積總和要滿足安全通過230A的電流。

(2)蓄電池內(nèi)部連接的物理保護

①連接線(連接板)應(yīng)用絕緣護套和防銹鍍層,絕緣護套采用V0級阻燃材料,防銹鍍層可以采用鍍鋅等防銹處理方法;

②連接線(連接板)要求采用紫銅材料,紫銅材料的純度不低于99.90%。

6 蓄電池的安裝環(huán)境要求

(1)蓄電池布局要求

蓄電池組的布置應(yīng)符合下列要求:

立放蓄電池組之間的走道凈寬不應(yīng)小于單體電池寬度的1.5倍,最小不應(yīng)小于0.8m;立放雙層布置的蓄電池組,其上下兩層之間的凈空間距離為單體電池高度的1.2～1.5倍;

立放雙列布置的蓄電池組,一組電池的兩列之間凈寬應(yīng)滿足電池抗震架的結(jié)構(gòu)要求;

立放蓄電池組側(cè)面與墻之間的次要走道凈寬不應(yīng)小于0.8m;如為主要走道時,其凈寬不宜小于電池寬度的1.5倍,最小不應(yīng)小于1m;立放單層雙列布置的蓄電池組可沿墻設(shè)置,其側(cè)面與墻之間的凈寬一般為0.1m;

立放蓄電池組一端靠墻設(shè)置時,列端電池與墻之間的凈寬一般不小于0.2m;

立放蓄電池組一端靠近機房出入口時,應(yīng)留有主要走道,其凈寬一般為1.2～1.5m,最小不應(yīng)小于1m;

臥放閥控式蓄電池組的側(cè)面之間的凈寬不應(yīng)小于0.2m;

臥放閥控式蓄電池組的正面與墻之間,或正面與側(cè)面或背面之間的走道凈寬不應(yīng)小于電池總高度的1.5倍,最小不應(yīng)小于1.2m;

臥放閥控式蓄電池組的正面與墻之間的走道凈寬不應(yīng)小于電池總高度的1.5倍,最小不應(yīng)小于1m;

臥放閥控式蓄電池組可靠墻設(shè)置。其背面與墻之間的凈寬一般為0.1m,蓄電池組的側(cè)面與墻之間的凈寬不應(yīng)小于0.2m。

(2)安裝場地要求

①蓄電池安裝地點應(yīng)遠離熱源及可能產(chǎn)生火花的地方;

②電池組安裝距墻壁及其它設(shè)備的安全距離應(yīng)遵照本章第(1)節(jié)的要求;

③蓄電池應(yīng)安裝在通風良好陰涼的房間內(nèi),避免陽光直射;

④盡量避免安裝在空調(diào)出風口旁的位置;

⑤電池室應(yīng)做通風設(shè)計,防止電池使用不當造成的易爆氣體聚集;

⑥蓄電池安裝地點不能有劇烈的震動源或碰撞沖擊源。

(3)蓄電池發(fā)熱量計算

蓄電池在充、放電過程中,恒溫是比較困難的,因為鉛酸蓄電池在充電和放電時都伴隨著熱效應(yīng),一是產(chǎn)生焦耳熱,另外是根據(jù)Gibbs-Helmholz方程式有吸熱或放熱,為克服兩極極化和電池內(nèi)阻而損失的電壓降將全部轉(zhuǎn)化為熱量。

充電過程中蓄電池的內(nèi)部的狀態(tài)一直處于變化中,所以發(fā)熱量的計算非常復(fù)雜。行業(yè)內(nèi)各個電池廠家的共同研究測試,最終將蓄電池的發(fā)熱量計算公式簡化如下:

Q=I×U×N (10)

其中,

Q—蓄電池發(fā)熱功率,單位:W;

I—充電電流,單位:A;

U—充電電壓,單位:V;

N—蓄電池數(shù)量。

蓄電池在浮充狀態(tài)下,發(fā)熱量很小,可以忽略不計。在放電狀態(tài)下,由于是將蓄電池內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,這一過程是吸熱過程,所以此時是不發(fā)熱的(吸收的熱量很小,可以忽略)。蓄電池的均充狀態(tài)又可以細分為兩部分:在均充的初期,由于此時充入的電能絕大部分都轉(zhuǎn)化為化學(xué)能在蓄電池中儲存起來,所以此時的發(fā)熱量也很小,可以忽略;在均充的后期,電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率大大降低,此時會有較大的發(fā)熱量。

以2V500Ah的蓄電池為例,在均充的后期,一組蓄電池(384V)由192單體組成,均充電壓為2.35V,電流為2A,其發(fā)熱量為Q=I×U×N=2×2.35×192=902.4(W)

(4)排氫氣及排酸氣量計算

蓄電池在工作過程中,會有少量氫氣和酸氣(主要是SO2氣體)排出。氣體的排出量和環(huán)境溫度有關(guān),溫度越高排出量就越大。蓄電池的排氫和排酸氣的量,影響條件復(fù)雜,至今沒有一個準確地計算方法。

目前的測試是依據(jù)IEC60896-2004的試驗方法,在實驗室條件下測量。測試結(jié)果為2mL/100Ah/h。

7 UPS電池開關(guān)的設(shè)計與選型

UPS的電池開關(guān)需要依據(jù)UPS的電氣參數(shù)及電池配置來選擇,電池開關(guān)應(yīng)選擇直流斷路器。不同品牌不同型號的UPS,其電池的配置節(jié)數(shù)通常是不一樣的,所以需要依據(jù)具體的UPS參數(shù)來進行電池開關(guān)放電電流的計算,放電電流的通用計算公式為

上式中的1.75為假定的單體電池放電保護電壓。這一計算出來的I電池值是所有電池組的總放電電流。

但是,數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)通常都配置有至少兩組以上的電池組并聯(lián)為UPS供電,最為常見的是配置三組蓄電池。此時,每一分組電池開關(guān)實際并不需要配置這么大,可以依據(jù)一組電池退出檢修時,恰逢市電中斷,余下的兩組電池需要承擔額定負載來選擇電池開關(guān),因此可依據(jù)每一組電池開關(guān)的最大放電電流為I電池/2來選擇分組電池開關(guān)的容量,如總開關(guān)是1000A,則分開關(guān)可選擇500A。

除了每組電池開關(guān)以外,為了操作方便,通常數(shù)據(jù)中心UPS的蓄電池系統(tǒng)都需要配置一個總開關(guān),這一開關(guān)的容量選擇可以依據(jù)I電池來選擇電池的總開關(guān)。由于1000A以下的直流開關(guān)一般都采用熱磁脫扣原理來實現(xiàn)短路保護,所以如果總開關(guān)再選用斷路器來保護,很難保證總開關(guān)與分組開關(guān)之間的保護選擇性,而且由于分組開關(guān)已經(jīng)選用了直流斷路器,總開關(guān)選擇斷路器的短路保護功能基本沒有意義。所以建議,UPS的總電池開關(guān)選用具有自動跳閘功能的負荷開關(guān)來代替,不僅經(jīng)濟,也具有更可靠的短路保護選擇性。

為了保持UPS應(yīng)急狀態(tài)情況下能斷開電池總開關(guān)和在直流母線電壓沒有建立時禁止電池合閘,這一總開關(guān)需要配置脫扣線圈附件,常用的脫扣電壓可選的為AC/DC24/48/110V,根據(jù)具體選擇UPS的要求來定;同時應(yīng)配置輔助觸點信號,以便UPS能監(jiān)控電池總開關(guān)的狀態(tài)。

為了檢修電池方便與操作維護安全,這一電池開關(guān)應(yīng)獨立成柜,并安裝在電池架或柜的一側(cè)。

8 結(jié)束語

對蓄電池的工作原理、特性、選配原則、設(shè)計計算、安裝、維護等諸多問題,應(yīng)該有充分的了解,這對延長蓄電池的使用壽命,確保數(shù)據(jù)中心機房UPS設(shè)備的安全穩(wěn)定運行是十分重要的。蓄電池的長壽命和穩(wěn)定運行是實現(xiàn)UPS系統(tǒng)不停電功能的重要保證。