UPS電源系統(tǒng)蓄電池的選擇和維護

1、UPS電源系統(tǒng)蓄電池的選擇和維護作者：徐衛(wèi)民摘 要：介紹了選用UPS蓄電池時應(yīng)考慮的幾個重要因素，并提出了使用和維護時應(yīng)注意的問題。關(guān)鍵詞 ：不間斷電源 蓄電池 Abstract ： This paper introduces the mainly focuses on the selection ， use and maintenance of UPS battery Keywords： UPS， battery1、引言我廠化工裝置和公用工程裝置的操作、監(jiān)視、控制都采用DCS系 統(tǒng)，如何向DCS系統(tǒng)提供高質(zhì)量、安全可靠的電源就顯得非常重要。 我廠采用UPS向 DCS系統(tǒng)供電，UPS系統(tǒng)由整流

2、模塊、充電模塊、蓄 電池、逆變模塊、自動旁路開關(guān)、手動維修旁路開關(guān)等組成，UPS可以向DCS提供高質(zhì)量、安全可靠的電源，保證化工生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定、 可靠?？墒遣簧匐姎夤こ倘藛T在配置電源時， 往往比較注重不間斷電 源(UPS)主機的性能，忽視了對UPS配套蓄電池的選擇。不恰當(dāng)?shù)呐?套蓄電池選擇往往會造成 UPS后備時間不足、電池不能放電等事故， 嚴(yán)重影響UPS的質(zhì)量。2、UPS的工作原理UPS系統(tǒng)的工作原理：將供電質(zhì)量較差的廠用電源首先經(jīng)整流 裝置變換成直流電源 , 一路經(jīng)充電模塊向蓄電池充電，另一路采用高 頻脈寬調(diào)制(SPWM)法在逆變裝置內(nèi)重新將直流電源變成純正的高質(zhì)量的正弦波電源向負載供電

3、。 當(dāng)交流工作電源消失或整流裝置等 元器件故障時 , 由蓄電池組經(jīng)電池開關(guān)向逆變裝置供電。當(dāng)逆變裝置 故障輸出電壓異?；蜻^載時 , 則切換到自動旁路開關(guān)由廠用電直接向 負載供電。3、UPS 蓄電池的種類UPS要求所選用的蓄電池必須具有在短時間內(nèi)輸出大電流的特性。目前，在線運行的蓄電池基本上有兩種， 它們都屬于鉛酸蓄電池。3.1 、防酸隔爆鉛酸蓄電池這種電池在早期的UPS系統(tǒng)中使用較多，只要維護得當(dāng)，會有較長的 使用壽命， 但由于在運行中存在大量的電解液水分散失， 需經(jīng)常性地 測量電解液的溫度、 密度，往電池內(nèi)部添加蒸餾水， 維護工作量極大， 現(xiàn)在的UPS系統(tǒng)中已很少配用。3.2 、閥控式密封鉛

4、酸蓄電池 (VRLA)因其體積較小，密封性能好、絕少維護而被廣泛應(yīng)用于各類 UPS 電源中。VRLA防止電池內(nèi)部電解液流動有兩種技術(shù)方法：一種技術(shù) 是將硫酸電解液與SiO2膠體混合后充滿電池內(nèi)部，制成膠體電池(簡 稱GEU)O這類產(chǎn)品產(chǎn)量較低，約占 VRLA電池總量的15%另一種技 術(shù)是利用超細玻璃棉將電解液不飽和地吸附住， 制成吸液式電池或貧 液式電池 (簡稱 AGM。) 由于后者具有較好的大電流放電性能，在 UPS 系統(tǒng)中較多采用，國內(nèi)廠家也大多生產(chǎn) AGh蓄電池。4、UPS蓄電池的選擇4.1 、蓄電池容量 (Ah) 的選擇蓄電池容量(Ah)是指在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下，每 2V電池單體在給定 時

5、間至1.80V終止電壓時，可提供的恒定電流值(A)與持續(xù)放電時間 (h)的乘積。給定持續(xù)放電時間為10h的容量稱為10h率容量，用符 號C10來表示。蓄電池容量可用 20h率、10h率、8h率、5h率、3h 率、1h率、0.5h率等多種方法表示，一般采用 C10作為蓄電池的額 定容量來標(biāo)稱蓄電池。 額定容量是蓄電池的主要參數(shù)， 不少工程人員 就認為，兩種品牌相同額定容量的蓄電池可以在同一套UPS系統(tǒng)中替代使用。這種觀點是有偏頗的，因為兩種蓄電池具有相同額定容量， 只表示它們的10h放電性能一致，但在10min、30min、lh、3h等時 間內(nèi)可提供的恒功率值和恒電流值則可能差異較大，而UPS后

6、備時間 通常不到10h，所以UPS配用蓄電池時，考察其在后備時間內(nèi)的放電 性能就尤為重要。在已知UPS主機一些基本參數(shù)和確定蓄電池品牌后， 我們就可以 根據(jù)這一蓄電池品牌樣本資料中提供的恒功率放電數(shù)據(jù)表或恒流放 電曲線，通過功率定型法或電流定型法來計算確定蓄電池的容量和型 號。1.功率定型法這種方法比較簡便， 根據(jù)蓄電池恒功率放電參數(shù)表可以快速準(zhǔn)確 地選出蓄電池型號。首先計算在后備時間內(nèi)，每個2V的蓄電池至少應(yīng)向UPS提供的恒功率：P二Seos© / ( n N K)(1)式中：S-UPS標(biāo)稱輸出功率；cos© -UPS輸出功率因數(shù)；n - 逆變器效率；N-在UPS中以12

7、V電池計算時所需的串聯(lián)電池個數(shù)， 由UPS正常工作電壓確定；K-系數(shù)，廠家提供的電池恒功率放電數(shù) 據(jù)表，一般是以2V單元電池為計算基準(zhǔn)的，12N/節(jié)電池相當(dāng)于6個 2V單元串聯(lián)，此時取K=6;如果電池廠家提供的電池恒功率放電數(shù)據(jù) 表是以12V單元電池為計算基準(zhǔn)的，則 K=1。然后確定蓄電池的放電 終止電壓 UT:UT=Umin/(N*6)(2)式中:Umin -UPS 最低工作電壓我們可以在廠家提供的UT下的恒功率放電參數(shù)表中，找出等于 或稍大于P的功率值，這一功率值所對應(yīng)的型號即能滿足 UPS系統(tǒng)的 要求。如果表中所列的功率值均小于 P,可通過多組電池并聯(lián)來達到 功率要求，一般并聯(lián)不應(yīng)超過

8、4 組。下面舉例說明：例如一臺80kVA梅蘭日蘭UPS后備15min,已知 UPS輸出功率因數(shù)cos©為0.8，逆變器效率n為0.94，正常工作 電壓為384V,最低工作電壓 Umin為320V,則配套蓄電池組 N應(yīng)為 32節(jié)(384V/ 12V)12V/節(jié)電池串聯(lián)，根據(jù)式(1)得出P=354.6W根據(jù) 式得出放電終止電壓 UT=1.67V。如我們選用美國 GNB Sprinter 系列電池，根據(jù)GNB Sprinter樣本提供的在25C時每單元恒功率放 電數(shù)據(jù)表，查找15min列下等于或稍大于354.6W的功率值為373W 對應(yīng)的型號為S12V370其額定容量為100Ah,也就是說

9、，用32節(jié) GNEB12V370蓄電池串聯(lián)，可以滿足該 UPS系統(tǒng)的要求。如果選用2V 節(jié)電池串聯(lián)，則在 2V 系列電池的恒功率放電數(shù)據(jù)表中查出相應(yīng)型 號，整組串聯(lián)電池數(shù)量為 6N。2. 電流定型法 這是根據(jù)某一品牌蓄電池的恒流放電曲線來確定蓄電池容量和 型號的方法。首先計算UPS系統(tǒng)要求的蓄電池最大放電電流：Imax二Seos巾/ （ n Umin）（3）式（3） 中各符號的含義與功率定型法中所定義的相同。在計算出 電池串聯(lián)數(shù)量N和放電終止電壓UT后，就可以根據(jù)UPS要求的后備 時間從蓄電池恒流放電曲線中查出放電速率n,然后根據(jù)放電速率的定義：n=Imax/C10,得出配置蓄電池的額定容量

10、C10并確定電池型 號。下面仍以80kVA梅蘭日蘭UPS后備15min系統(tǒng)配套美國 GNB Sprinter l2V 電池為例來說明。首先按式 （3） 計算蓄電池的最大放電 電流，Imax =212 . 8A,由式得出每 2V單元的放電終止電壓 UT=1.67乂在sprinter恒流放電曲線圖（圖1）中，根據(jù)后備時間15min（橫坐標(biāo)）和放電終止電壓1.67V（縱坐標(biāo)），可得出放電速率 n 為2.13C（容量）。據(jù)此可得電池的額定容量為：C=Imax/n=100Ah（即 C10）。100Ah所對應(yīng)的型號為 S12V370即用32節(jié)GNBS12V370電池 串聯(lián)能滿足系統(tǒng)要求。4.2、蓄電池壽命

11、的選擇蓄電池的壽命有兩項衡量指標(biāo)，一是浮充壽命，即在標(biāo)準(zhǔn)溫度和 連續(xù)浮充狀態(tài)下，蓄電池能放出的最大容量不小于額定容量的80%寸所使用的年限；二是80%深度循環(huán)充放電次數(shù)，即滿容量電池放掉額 定容量的80%后再充滿電，如此可循環(huán)使用的次數(shù)。通常，工程技術(shù)人員僅注重前者，而忽略了后者。80%深度循環(huán)充放電次數(shù)代表著蓄電池實際可以使用的次數(shù)， 在經(jīng)常停電或市電質(zhì) 量不高的情況下，當(dāng)蓄電池的實際使用次數(shù)已經(jīng)超過規(guī)定的循環(huán)充放 電次數(shù)時，盡管實際使用時間還沒達到標(biāo)定的浮充壽命， 但蓄電池其 實已經(jīng)失效，如果不能及時發(fā)現(xiàn)則會帶來較大的事故隱患。所以，在 選擇蓄電池時，我們對兩項壽命指標(biāo)都應(yīng)予以重視， 在市

12、電經(jīng)常中斷 的條件下，后者就尤為重要。在選擇 UPS配套蓄電池時，我們應(yīng)考慮足夠的浮充壽命裕量。 根據(jù)經(jīng)驗， 蓄電池的實際使用壽命往往只有標(biāo) 定浮充壽命的50%- 80%這是因為蓄電池實際浮充壽命與定義標(biāo)準(zhǔn) 溫度、實際環(huán)境溫度、電池充電電壓、使用維護等眾多因素有關(guān)。當(dāng) 實際環(huán)境溫度比定義標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度每升高 10 C，蓄電池會因為內(nèi)部 化學(xué)反應(yīng)速度增加一倍而導(dǎo)致浮充壽命縮短一半，所以，UPS蓄電池機房應(yīng)配備空調(diào)設(shè)備。在定義溫度值方面，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為 20C，中國、 日本、美國等標(biāo)準(zhǔn)為25C°20C 10年浮充壽命的蓄電池如換算到 25C 標(biāo)準(zhǔn)，僅相當(dāng)于 7- 8 年浮充壽命。配套蓄電池的標(biāo)

13、稱浮充壽命應(yīng)該是用我們希望的蓄電池實際使 用壽命除以一個壽命系數(shù)后所得的數(shù)值。 這一壽命系數(shù)通常憑經(jīng)驗確 定，蓄電池可靠性高的可取為 0.8，可靠性低的可取為 0.5。4.3 、單個蓄電池電壓的選擇VRLA按單節(jié)電壓分有12V/節(jié)、6V/節(jié)、4V/節(jié)和2V/節(jié)等四 種不同形式。從經(jīng)濟方面來看，UPS正常工作電壓一定，選用的電池 單節(jié)電壓越高， 電池組所用的串聯(lián)電池數(shù)量越少， 配套電池組的價格 也越便宜。但從安全性方面來看，選用的電池單節(jié)電壓越低，整個系 統(tǒng)越安全。如果12V/節(jié)的電池壞了一節(jié)，整個蓄電池后備系統(tǒng)就少 了 12V, UPS主機就有可能開啟低壓報警功能使整個 UPS系統(tǒng)不能正 常工

14、作。所以在選用12V/節(jié)蓄電池時，多采用多組并聯(lián)來達到 UPS 系統(tǒng)要求,萬一有一組出問題,還有其他組的電池可運作。4.4 、蓄電池所能承受的紋波系數(shù)在UPS系統(tǒng)中，蓄電池還起到濾波器的作用，承受UPs輸入紋波電壓和紋波電流的沖擊。如果所選蓄電池承受紋波系數(shù)的能力較差， 而紋波系數(shù)又比較大， 則會使蓄電池過早地失效而引起不能放電的事 故。IEC蓄電池標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，VRLA應(yīng)能承受0.5%的紋波系數(shù)，但使用 UPS的場合，紋波系數(shù)都比較大，有的甚至達到 2%所以應(yīng)對蓄電池 的可承受紋波系數(shù)按實際情況提出要求。4.5、蓄電池性能均一性從理論上講，蓄電池的電壓、內(nèi)阻、壽命等性能應(yīng)該是一致的， 可以無限多

15、組數(shù)地進行并聯(lián)以達到要求的容量。但在實際生產(chǎn)過程 中，由于所用材料純度、 生產(chǎn)工藝、工作人員、生產(chǎn)環(huán)境溫度等差異， 同一條流水線上制造的蓄電池通常在性能上有一定的差異， 即使同一 品牌同一型號相同生產(chǎn)日期生產(chǎn)的蓄電池， 性能也不可能做得完全一 致，這一點可以通過測量比較蓄電池的單節(jié)開路電壓看出來。工程人員通常采用便宜的小容量電池多組并聯(lián)來達到UPS要求的較大蓄電池容量， 如果采用性能均一性較差的電池多組并聯(lián)， 性能 差、電壓低的電池組就會將性能好的蓄電池組拖垮，導(dǎo)致整套UPS蓄電池系統(tǒng)提前失效。 目前性能均一性主要根據(jù)蓄電池電壓均一性來衡 量，國內(nèi)有多種標(biāo)準(zhǔn)要求，例如信息產(chǎn)業(yè)部 YDT 799

16、-1996 標(biāo)準(zhǔn)要 求為：25C時整組蓄電池2V單元浮充電壓差不大于士 50mV開路電 壓差不大于士 20mV電力部DL/T637-1997標(biāo)準(zhǔn)要求是：25C時， 如電池系統(tǒng)采用2VZ節(jié)電池，開路電壓最高的一節(jié)與最低的一節(jié)差 異不超過30mV6V/節(jié)電池不超過40mV12V/節(jié)電池則不超過60mV 一般蓄電池并聯(lián)組數(shù)不應(yīng)超過 4組，為防止整套蓄電池系統(tǒng)的提前失效，在選擇蓄電池時，應(yīng)該在性能均一性方面提出要求。當(dāng)確定了蓄電池型號之后，在一套UPS系統(tǒng)中最好要求廠家提供同一批次的蓄電 池產(chǎn)品，以減小性能方面的差異。同樣道理，不同品牌或者新舊程度 不同的蓄電池， 由于存在較大的性能差異， 建議不要混

17、合使用。 最后， 要特別指出的是即使選擇了恰當(dāng)?shù)?VRLA也需要進行一些必要的日 常維護和管理，避免蓄電池過早失效。5 UPS蓄電池的維護隨著科技的不斷發(fā)展，UPS的性能越來越好，平均無故障工作時 間越來越長，整機的可靠性越來越高。做好UPS中消耗品蓄電池的維 護變得尤為重要。5.1 、新電池的初充電新的蓄電池在安裝完畢后， 一般要進行一次較長時間的充電， 充 電電源要按照說明書中的規(guī)定進行充電， 待電池組充電完畢后， 進行 一次放電，放電后再次充電，目的是延長電池的使用壽命，提高電池 的活性和充放電特性。5.2 、定期充放電UPS電源內(nèi)部的蓄電池長期閑置不用或使蓄電池長期處在浮充狀 態(tài)而不放

18、電， 會導(dǎo)致電池中大量的硫酸鉛吸附到電池的陰極表面， 形 成所謂的電池陰極板的“硫酸鹽化”， 由于硫酸鉛是一種絕緣體， 它 的形成必將對電池的充放電產(chǎn)生極不好的影響， 因為在陰極板上形成 的硫酸鹽越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的可充放電性能越差，從而導(dǎo) 致電池“老化”、“活性”下降，使蓄電池的使用壽命大大縮短。應(yīng) 該每隔34個月，人為地通過中斷市電或通過軟件/硬件控制手段 將UPS的整流器/充電器置于關(guān)閉狀態(tài)， 讓UPS中的蓄電池放電。對 于這種為“激活”電池而進行的電池放電操作， 它的放電時間以控制 在正常放電時間的 1314 為宜。5.3 、嚴(yán)禁深度放電密封免維護蓄電池的使用壽命與蓄電池的放電

19、深度密切相關(guān)。 放 電深度是指用戶在蓄電池使用的過程中， 電池放出的安時數(shù)占它的標(biāo) 稱容量安時數(shù)的百分比。 深度放電會造成蓄電池內(nèi)部極板表面硫酸鹽 化，導(dǎo)致蓄電池的內(nèi)阻增大， 嚴(yán)重時會使個別電池出現(xiàn)“反極”現(xiàn)象 和電池的永久性損壞。 電池的放電深度嚴(yán)重影響電池的使用壽命， 非 迫不得已，不要讓電池處于深度放電狀態(tài)。5.4 、盡量避免過電流充電過流充電易造成電池內(nèi)部的正負極板彎曲， 使極板表面的活性物 質(zhì)脫落，造成電池可供使用容量下降， 嚴(yán)重的會造成電池內(nèi)部極板短 路而損壞。5.5 、盡量避免蓄電池過壓充電過壓充電往往會造成蓄電池電解液所含的水被電解分離成氫氣 和氧氣而逸出，從而使電池使用壽命縮短。5.6 、更換活性下降、內(nèi)阻過大的電池(1)、隨UPS電源使用時間的延長，總有部分電池的充放電特性 會逐漸變壞，端電壓明顯下降，這種電池的性能不可能再依靠 UPS電 源內(nèi)部的充電電路來解決，繼續(xù)使用會存在隱患，應(yīng)及時更換。(2) 、對于蓄電池內(nèi)阻增大，用正常的充電電壓對電池進行充電 已不能使蓄電池恢復(fù)其充電特性的電池應(yīng)及時更換。 電池的內(nèi)阻一般 在1030mQ，如電池的內(nèi)阻超過 200mQ上，將不足以維持 UPS的 正常運行，對內(nèi)阻偏大的電池必須更換。5.7 、避免蓄電池新舊混用或新舊電池混合充