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在數據中心中,閥控式密封鉛酸蓄電池組作為備用電源在系統中的作用非常重要。鉛酸蓄電池工作狀態的穩定與否、性能好壞都與UPS系統的輸出穩定性和可靠性息息相關。蓄電池組容量監測研究的意義在于提高UPS的利用率,實時在線監控蓄電池組的健康狀態,提供高效率的電池管理,提高后備電源系統的穩定性和可靠性,同時可保障鉛酸蓄電池的使用壽命、避免安全隱患及經濟損失,減少人工成本。

定期對閥控式密封鉛酸蓄電池(以下簡稱蓄電池)組進行容量測試,有利于掌握蓄電池組的工況,避免故障隱患的長期存在,保證供電系統運行中的可靠性。

根據聯通動力維護規程,蓄電池組使用三年必須進行容量試驗,使用六年后每年進行一次容量試驗,準確地監測電池組的容量,確保在市電和電源設備出現故障時,蓄電池組能夠保障通信設備續航的時間。

1 蓄電池組的容量測試方法

蓄電池組容量的測量,視情況不同可用下列三種方法進行測量。

(1)離線式測量法

在采用離線式測量法進行蓄電池的容量試驗時,應按下述步驟進行:

①將充滿電后的蓄電池組脫離供電系統靜置1～24h,在環境溫度為25±5℃的條件下開始放電;

②放電開始前應測量蓄電池的端電壓,放電期間應測記蓄電池的放電電流、時間及環境溫度,放電電流波動不得超過規定值的1%;

③放電期間應測量蓄電池的端電壓及室溫,測量時間間隔為:10h率放電30min、3h率放電20min、1h率放電5min。在放電末期要隨時測量,以便準確地確定達到放電終止電壓的時間;

④放電電流乘以放電時間即為蓄電池組的容量。蓄電池按10h率放電時,如果溫度不是25℃時,則應將實際測量的容量按下式換算成25℃時的容量Ce:

(1)式中,t——放電時的環境溫度(℃);

K——溫度系數;

10h率放電時,K=0.006/℃

3h率放電時,K=0.008/℃

1h率放電時,K=0.01/℃

Cr——試驗溫度下的電池容量。

⑤放電結束后,要對蓄電池組充電,充入電量應是放出電量的1.2倍。

電池組離線放電原理圖如圖1所示。

利用離線式測量方法進行電池組容量試驗時,應注意以下幾個問題:

①電池組離線式容量試驗,測試數據準確,電池組實際容量計算方便,便于了解電池組實際容量。但當該供電系統只剩下一組電池后備,系統備用電池供電時間明顯縮短,且不清楚在線電池組是否存在質量問題;尤其使用六年以上的電池組,一旦市電中斷,該電池組對通信設備放電保障風險系數增大。所以用此種方法對電池組進行容量試驗時,要求柴油發電機組必須處于最佳工況狀態,以確保發電機組、開關電源等設備正常運行;

②放電結束后的電池組充滿電后再并入供電系統,此時與在線電池組間存在電壓差,若操作不當將引起開關電源對并入的電池組進行大電流充放電,產生火花,易發生安全事故。為了解決打火花問題,必須調整開關電源輸出電壓,然后與充滿電的電池組電壓相等后進行并聯浮充;

③利用離線式測量方法時,放電方式操作難度偏大,既要脫離電池組的正極電源線,又要脫離電池組的負極保險,尤其是脫離電池組負極保險時,需要特別小心并做好絕緣處理。操作不當引起負極短路,將造成系統供電中斷和人身安全事故的發生。同時放電電池組通過假負載以熱量形式消耗,浪費電能,增大了機房空調的制冷時間,影響機房設備運行環境,需要維護人員時刻守護,以免假負載高溫引發通信供電設備故障;

④關電源直流輸出電壓為46.4V,使電池組直接對實際負荷進行放電至開關電源直流輸出電壓保護設置值。由于電池組放電電流大,應按電源維護規程考慮48V供電范圍40～57V的最低供電低壓門限,電池組至設備供電回路全程壓降3.2V及電池單體放電最低1.8V的要求考慮。為了保證供電系統安全,所以帶實際負載的放電電流和放電時間掌控較困難,對電池組容量評估不夠準確,對電池性能測試存在不確定因素,尤其對使用3年以上電池組性能檢測難以達到試驗的預期效果。

(2)在線式測量法

在利用在線式測量法進行蓄電池組容量試驗時,應按如下步驟進行:

①在供電系統中,關掉整流器或降低整流器輸出電壓后,由蓄電池組放電供給通信設備,在蓄電池組放電中找出蓄電池組中電壓最低、容量最差的一只電池來作為容量試驗的對象;

②恢復整流器至正常工作狀態,對蓄電池組進行充電,等蓄電池組充滿電后穩定1h以上;

③對①中放電時找出最差的那只電池進行10h率放電試驗。放電前后要測記該只電池的端電壓、溫度、放電時間和室溫。以后每隔30min測記一次,放電快到終止電壓時,應隨時測記,以便準確記錄放電時間;

④放電時間乘以放電電流即為該只電池的容量。當室溫不是25℃時,應按式(1)換算成25℃時的容量;

⑤放電試驗結束后,用充電機對該只電池進行充電,恢復其容量;

⑥根據測記的數據繪制放電曲線。

在利用在線式測量法進行蓄電池組容量試驗時,應注意以下幾個問題:

①若兩組電池的單體電池都有失容、落后等質量問題,其放電至輸出保護值的時間,不易被維護人員及時發現,此時可能后備電池組容量所剩無幾,因此該放電方式比離線放電方式不安全系數更大。同時由于放電深度有限,對電池組的測試的目的無法達到,關鍵是在全容量放電的實踐中會經常發現有些單體電池在放電前期電壓正常,但到中后期,有些落后電池才開始逐步暴露出來;

②這一部分落后單體電池,由于放電深度不夠而沒有被及時發現,此放電方式只能大致評估電池組容量,而無法準確檢測具體放電多長時間。同時兩組電池組間放電電流不完全均衡,各電池組將根據自身情況自然分攤系統的負載電流。落后電池組內阻大、放電電流小,而正常電池組內阻小、放電電流大。這就造成某些落后電池因放電電流不夠大而無法暴露出來,達不到進行電池組放電性能質量檢測目的。

(3)單組全在線式節能容量試驗很明顯,離線式測量法和在線式測量法,在實際運用時,存在重大缺陷:

•工作量太大,耗時耗力,一年內無法保證對所有的蓄電池組進行一輪放電試驗,亦即蓄電池組得不到及時有效的維護;

•這兩種測量方法追求的是結果而不是過程,所以當發現該組蓄電池有質量問題時,可能問題在很早以前就存在了。也就是說,即使非常嚴格地按照維護規程進行著維護,仍然無法確保在用蓄電池的性能良好、保證通信網絡的順暢運行;

•離線全容量放電測試存在嚴重的安全隱患問題,操作不當會對系統供電安全造成嚴重的影響,同時嚴重浪費能源,而且放電結束后被測蓄電池組和系統存在巨大的壓差,回接系統相當困難且危險。而一些單位采用定期的在線式放電測試,雖然這種在線式放電測試相比離線放電測試,操作較簡單,也沒有電能的浪費和電池組回接困難的問題。但是在線式放電測試是將系統電壓降低,系統上所有的電池組同時對實際負載放電,如果市電停了,系統上就沒有滿容量的電池組,同樣存在巨大的安全隱患問題。而在線式放電測試的放電深度不夠,且放電不恒流,不能準確的測試出蓄電池的剩余容量,達不到檢測蓄電池性能的目的,給系統維護留下安全隱患。

解決這個難題的方法在于采用安全節能的“蓄電池組全在線容量試驗”。單組全在線式節能容量試驗可以避免上述缺陷,具有良好的實用價值。全在線式節能容量試驗的原理圖如圖2所示。

所謂“蓄電池組全在線容量試驗”,是指在被測電池組和通信設備工作電源之間串聯一套“電池組全在線放電安全節能維護系統FBI”,讓被測電池組相對另一組處于浮充狀態的電池組具有略高電位的趨勢,并通過FBI系統的控制以使被測電池組能夠以恒定電流或恒定功率對在線負載設備進行供電,隨著被測電池組電壓的下降,FBI系統自動實時升壓補償,以保持被測電池組所在支路電壓(被測電池組電壓+FBI升壓)始終保持與另一組電池等電位,但始終具有略高電位的趨勢,以使被測電池組能夠持續在線供電,當被測電池組以恒定電流或恒定功率在線放電到預先設定的截止電壓后,FBI系統自動引導整流器在線對被測電池組充電恢復,隨著被測電池組電壓的上升,FBI系統自動隨時降壓補償,以保持被測電池組所在支路電壓(被測電池組電壓+FBI升壓)始終保持與另一組電池等電位,直至被測電池組充電恢復完成。在此被測電池組全在線放電和充電過程中,另一組電池始終保持浮充狀態。采用FBI,徹底改變了以往蓄電池放電容量測試模式,解決了離線式測量法和在線式測量法的種種弊端。被測電池組電壓+FBI升壓的原理圖如圖3所示。當然也可以采用被測電池組電壓+FBI降壓的模式。被測電池組電壓+FBI降壓的原理圖如圖4所示。

下面簡述全在線式節能容量試驗的充放電過程和全在線充、放電設備串接電池組的操作過程。

①全在線充、放電過程

被測電池組的正極與全在線(充)放電設備串聯,不需要調整開關電源的浮充電壓值,使被測電池組所在支路的電壓略高出開關電源輸出或另一組電池的浮充電壓,這樣使該電池組對實際負荷進行放電,放電過程中被測電池組電壓隨著放電時間的變化而逐漸下降,通過全在線(充)放電設備進行自動電壓補償調整,保證被測電池組始終保持恒定電流或恒定的功率進行放電,當電池組放電終止即電壓、容量、時間和單體電池電壓達到預期所設置的放電門限值時,放電試驗自動結束。自動轉入對被測電池組的全在線充電恢復過程,以消除兩組電池之間存在的電壓差,并引導在線開關電源輸出,經過充電、等電位控制保護電路自動對被測放電后的電池組進行限流充電,自動完成在線等電位連接,恢復系統的正常連接后,全在線充、放電設備退出,結束蓄電池組充電恢復等電位連接過程。實現了該電池組在線充、放電試驗目的和了解該電池組的續航能力。

②全在線充、放電設備串接電池組的操作過程拆、接線只在電池組正極,無須拆電池組負極,只在負極接一根放電設備的工作電源線,操作過程不存在短路危險,充、放電全部在線自動運行。充、放電電流保持恒定。測試記錄自動進行。被測電池組按0.1C10率直接對負載放電和對電池組充電,無須看守,大大減輕工作強度,提高工作效率。

圖5為某通信機房-48V直流供電系統3000Ah電池(兩組)的全在線式節能容量試驗現場。

圖5中,有兩組-48直流供電系統3000Ah電池,每組用全在線設備單獨對負載放電試驗做具體操作。首先將6個*監測模塊連接到該組電池各單體上(每個*監測模塊可以監測4只單體電池電壓),全在線設備控制系統上設定4個放電截止門限:單體電池截止電壓門限1.8V;電池組截止電壓門限43.2V;放電容量門限3000Ah;放電時間門限10h(任一門限達到,放電都將停止)。設定放電電流為300A,核對所有設置參數正確后進行放電。用直流鉗形表檢測該組電池的放電電流由0A逐步上升到300A,保持300A恒定,該組電池電壓如平常放電一樣逐步下降,串接全在線設備的電壓逐步上升,整個放電支路在線電壓保持比系統浮充電壓54V高0.3～0.6V即54.4V以上。檢測另一電池組沒有放電,仍然保持浮充54V工作狀態。此時開關電源的輸出電壓保持在54V,而開關電源模塊輸出電流總和下降了300A。由于放電方式是對實際負荷用電,放電過程中全在線設備沒有任何發熱現象,安全可靠。當放電時間達到10h,到達設定某個參數的門限值時,全在線設備停止放電。自動轉入充電程序,直到兩組電池等電位后,充電結束,拆下全在線充、放電設備,供電系統運行正常。

在線設備串聯單組電池的放電節能方式,是將電池組中的電能直接釋放到實際負載中,不像離線放電是將電能以熱量形式消耗,所以串聯在線設備對電池組放電方法具有節能效果。

傳統離線放電的能源浪費Q=電池組電壓U(V)×電池組放電電流I(A)×放電時間t(h)×放電電池組數N;如容量為3000Ah兩組蓄電池,放電電流為300A,按10h放電的能耗估算為:

Q=U×I×t×2=48V×300A×10h×2=288kWh

全在線設備的節能總電量P=離線放電的能耗Q+開關電源少輸出的能量W

開關電源少輸出的能量

W=開關電源輸出電壓×放電電流×放電時間×電池組數=54V×300A×10h×2=324kWh

則P=288+324=612(kWh)

按照電費0.8元/kWh計算,一個-48直流供電系統中的兩組3000Ah電池容量試驗可以節約電費約489.6元。

2 蓄電池組容量測試一般周期

①每年應做一次核對性放電試驗(對于UPS使用的密封蓄電池,宜每季一次),放出額定容量的30%～40%;

②對于2V單體的電池,每三年應做一次容量試驗,使用六年后應每年一次。對于UPS使用的6V及12V單體的電池應每年一次;

③-48V系統的蓄電池組,放電電流不得大于0.25C10。