蓄电池的使用与维护及其UPS供电系统的发展趋势

发布:admin | 发布时间: 2010年4月30日

通信系统中各类网络设备对供电质量的要求越来越高，而通信设备的正常工作必须要有品质良好的供电系统作为保障。蓄电池是UPS供电系统中的一个重要组成部分，蓄电池组配备得是否合理和如何正确使用维护，最终决定着UPS供电系统电源保护作用的发挥。但在使用UPS供电系统的过程中，人们往往片面地认为阀控式密封铅酸（VRLA）蓄电池是免维护的，对维护工作不予以重视。正是由于对蓄电池的不合理使用，因此产生了蓄电池的电解液干涸、热失控、早期容量损失、内部短路等问题的出现，进而严重影响到供电系统的可靠性。有资料表明，由于蓄电池故障引起UPS主机故障或工作不正常的比例大约为30%～50%。由此可见，加强对UPS电池的正确使用与维护，对延长蓄电池的使用寿命，降低UPS电源系统故障率，起到重要作用。
1 UPS供电系统的作用及特点
1.1 UPS供电系统的作用
在交流不间断供电系统中，UPS设备是整个供电系统的核心，它起到两个作用，一是保证向负载供电的不间断性，二是改善对负载的供电质量。对交流通信设备来说，其交流输入的不间断性除与UPS设备本身的技术指标和技术性能有关外，还与整个供电系统的方案设计有关。UPS不间断电源系统不仅能保证对通信设备可靠的连续供电，而且，其输出也比较稳定，没有瞬变和谐波，具有明显的电力保护功能。当在市电断电时，UPS可以不间断地向负载继续供电；在市电不稳定的时候，UPS可以避免负载遭受欠压、浪涌冲击等的危害，全面改善了供电质量；当供电系统出现故障时，UPS不仅能给负载以全面保护，而且可起到对过载、短路、电池过放等非正常工作的防护，从而为负载提供了一个稳定的工作环境。
1.2 阀控式密封铅酸蓄电池的特点
UPS供电系统中大多采用阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池，该电池是一种将化学能和电能相互转化的装置。蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来，当市电超限或中断时，再将化学能转变为电能供UPS逆变器工作。
阀控式密封铅酸蓄电池的工作原理，基本上沿袭了传统的铅酸蓄电池，它的正极活性物质是二氧化铅(PbO2),负极活性物质是海绵状铅(Pb),电解液是稀硫酸(H2SO4)。
普通的铅酸蓄电池在充电过程中存在水分解反应，正极析出氧气，负极析出氢气。当正极充电到70%时，开始析出氧气，负极充电到90%时开始析出氢气，由于氢、氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新复合成水，电池就会失水干涸。
阀控式密封铅酸蓄电池在结构、材料上作了重要的改进：正极板栅采用铅钙锡铝四元合金或低锑多元合金，负极板栅采用铅钙锡铝四元合金，隔板采用超细玻璃纤维棉(AGM)，并使用紧密装配和贫液设计，在电池的上盖中设置了一个单向的安全阀。这种电池结构，由于采用铅钙锡铝四元合金，提高了负极析氢过电位值，从而抑制氢气的析出。同时，采用特制安全阀使电池保持一定的内压，采用超细玻璃纤维棉(AGM)隔板，利用阴极吸收技术，通过贫液式设计，在正负极之间和隔板之中预留气体通道。因此在规定充电电压下进行充电时，正极析出的氧(O2)可通过隔板通道传送到负极板表面，还原为水(H2O)。
这是阀控式密封铅蓄电池特有的内部氧循环反应机理，这种充电过程，电解液中的水几乎不损失，使电池在使用过程中不需加水。
目前，阀控式密封铅酸蓄电池有两类，即分别采用超细玻璃纤维棉(AGM)隔板和硅凝胶二种不同方式来“固定”电解液。它们都是利用阴极吸收原理使电池得以密封的，但给正极析出的氧气到达负极提供的通道是不同的。对AGM密封铅酸蓄电池而言，AGM隔膜中虽然保持了电池的大部分电解液，但必须使10%的隔膜孔隙中不进入电解液。正极生成的氧气就是通过这部分孔隙到达负极而被负极吸收的。对胶体密封铅酸蓄电池而言，电池内的硅凝胶是以SiO2质点作为骨架构成的三维多孔网状结构，它将电解液包含在里边。电池灌注的硅溶胶变成凝胶后，骨架要进一步收缩，使凝胶出现裂缝贯穿于正负极板之间，给正极析出的氧气提供了到达负极的通道。
由此看出，两种电池的区别就在于电解液的“固定”方式和提供氧气到达负极的通道有所不同，因而两种电池的性能也各有千秋。
2 蓄电池的配置与选择
UPS之所以能实现不间断供电，就是因为有了蓄电池。在设计UPS供电系统时，首先应考虑蓄电池的性能，即蓄电池的额定电压、额定容量及应由多少节蓄电池组合等重要部分。
2．1 额定容量选择
蓄电池的容量一般是指在20℃，以20h放电率放电到1.75v/单体时,蓄电池输出的功率数。
2.1.1单体电池容量计算公式
P=（UPS容量×1000×负载功率因数）/（逆变效率×电池节数）
其中，P：每节电池的放电功率；UPS容量：每台UPS的标称容量，以kVA计；负载功率因数：一般取0.8；逆变效率：UPS逆变器的效率，通常为90%～95%之间；电池节数：通常为6或12的倍数。
2.1.2查找放电功率数
根据P值查找对应的各型号电池放电到单体电压为1.65～1.75V时放电功率数。
2.1.3确定选用电池组数
根据上述功率数，对参照原厂提供的放电功率表，确定选用几组电池。
2．2指标选择
2．2.1 内阻
要选择内阻小的蓄电池，这样才能持续大电流放电，如果内阻较大，在充放电过程中功耗加大，使蓄电池发烫。
2．2.2 浮充电压
在相同温度下，浮充电压值高就意味着储存能量大，质量差的蓄电池浮充电压值一般较低。蓄电池浮充电压值在不同的温度时应进行修正。
2．2.3大中型UPS中避免混接
在大中型UPS中采用2V单体系列蓄电池，避免采用小容量组合蓄电池进行混接。
3 蓄电池的使用与维护
3．1 VRLA蓄电池的运行环境与安装方法
备用蓄电池应经常处于浮充状态，此时蓄电池内部仍进行着复杂的能量转换。浮充过程中所用的电能一部分转换为热能，因此要求蓄电池所处的环境应有良好的通风散热能力或有空调设备。
电池尽可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，并要避免受到阳光、加热或辐射热源的影响，让电池有一个良好的工作、储存环境。3.2 VRLA蓄电池的使用与维护
随着科技的不断发展,UPS的性能越来越好,平均无故障时间越来越长,整机的可靠性越来越高。做好UPS中蓄电池的使用与维护变得尤为重要。
3.2.1新电池的初充电
为了延长电池的使用寿命，提高电池的活性和充放电特性，新的蓄电池在安装完毕后，一般要进行一次较长时间的初充电。初充电要按说明书中的规定进行，待电池组充电完毕后，再进行一次放电，放电后再次进行充电。
3.2.2定期充放电
UPS内部的蓄电池长期闲置不用或使蓄电池长期处于浮充状态而不放电，会导致电池中大量的硫酸铅吸附到电池的阴极表面，导致内阻增大、活性下降，使蓄电池的使用寿命大大缩短。对于市电供电良好的单位，需要每隔三个月进行一次“治疗性”充、放电过程，即电池带载放电、再充电操作，并记录相关数据（表2给出某供电中心部分UPS放电记录），与以前放电记录进行比较分析电池性能状况，对电池组整体进行维护检查，真正遇到市电停电时，才能有效保护负载安全。
表2 某中心供电部分UPS放电记录
日期 UPS编号放电时间（min）启始电压（V）终止电压（V）放电电流（A）放电功率（kW）
2007-5-20 UPS-200-A1 11 472 424 86 31
2007-5-20 UPS-200-B1 11 472 424 97 35
2007-5-20 UPS-400-A1 10 472 404 420 158
2007-5-20 UPS-400-B1 11 472 405 435 158
2007-6-26 UPS-400-A2 12 472 408 380 143
3.2.3 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。深度放电会造成蓄电池内
部极板表面硫酸盐化，导致蓄电池内阻增大，严重时会使个别电池出现“反极化”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。
3. 2.4定期测量电池浮充电压和内阻
随着UPS使用时间的延长，总有部分电池的充放电特性会逐渐变坏，出现内阻增大、端电压明显下降等现象，需要及时发现、及时更换，否则会影响整组电池的使用。这种电池性能问题不可能再依靠UPS内部的充电电路来解决，如果继续使用会存在隐患，需要维护人员定期进行测量检查每个单体电池的电压、内阻，发现性能值超出范围的电池要及时更换。
3 UPS供电系统的发展趋势
市场需求和技术进步推动了UPS技术的不断发展。认真考察一下当前UPS技术与其应用现状和存在的问题，研究和确定其未来的技术发展方向，对进一步提高UPS实际应用水平及更合理的选择UPS供电系统设计方案是非常必要的。
3.1 技术发展与时俱进
现代UPS供电系统的整机设计理念及其配置方法正在发生明显的变化。所有这些变化都是紧紧围绕着IT技术和通信设备技术的进步，以及当前UPS供电系统所存在的问题进行的。这种设计理念的变化，导致了UPS集成化设计理念的产生。
通信企业是UPS产品的重要使用者，UPS供电系统的配套设备属于企业的固定资产，通信类设备技术的发展更新非常快，一般是两三年一个周期，而固定资产设备投资是不能这样变化的，需要设备的使用周期要尽可能长久。这就要求在进行电信机房UPS供电系统的方案设计时，必须充分考虑到设备机房以后的发展变化与需求。特别是要分析一些未来的因素，从而使UPS系统设计的总容量要大一些。为适应设备机房在未来用电需求方面可能发生的变化，今后的UPS不仅将在系统的可用性、可管理性等方面不断提高，在设备扩容的灵活性、可适应性等方面也将增强。通过UPS设备技术的不断进步，以后的UPS供电系统及其设备的配置本身都将具有很大的可扩充性、可变更能力、可快速建设的能力和边发展边扩容的能力。这使用户单位可以通过电源系统的配置改变来满足负载变化的需要。
综合观察当前UPS技术的发展状况，今后一段时期UPS产品设备有以下总体发展趋势：
3.1.1 技术方面
在技术方面正逐步趋向高频化、小型化、智能化、环保化和系统集成化的方向发展。
3.1.2 应用方面
在应用方面正逐步向从单机向冗余结构变化、从注重系统的可靠性向注重系统的可用性变化、从单纯供电系统向保证整个网络设备运行环境变化和适应性不断提高的方向发展。
3.2系统结构的模块化和标准化
当今UPS系统结构正趋于基层化的设计。基层化的设计，给产品的标准化、模块化设计创造了条件。模块化、标准化设计提高了UPS整体系统的可用性和适应性。同时，也降低了UPS设备的总体制造成本。UPS整体结构标准化、模块化的形式很类似于高频开关电源，将具有可扩展、可更改、可移植、可拔插的特点，从而使操作更为方便，维护趋于简化，便于操作人员对其熟悉和掌握。同时，也提高了UPS设备的价值和效率。
模块化和标准化的系统结构，提高了UPS在应用中的适应性、可用性、和设备利用率。这种模块化设计的结构可在不停电情况下,通过增加或减少模块的数量来改变系统的总容量，使UPS供电系统的扩容变得容易，重新布置更为方便，降低了传统不间断电源扩容、升级的风险，方便了用户可根据负荷的需求进行UPS系统容量扩展的需要。对于容量较大、体积较大的UPS 系统设备来说，模块化的结构设计不仅增加了设备空间布局的灵活性，提高了设备在安装时对空间的适应性，还能为UPS供电系统未来可能进行的改造或重新设计留有余地。
模块化UPS供电系统可带电拔插和更換供电模块，这种特性对使用者产生很强的吸引力。因为这种UPS电源，当系统出现障碍时，即使没有专业的技术人员在现场，用户也可以方便的进行扩容和维护。使用者或维护人员无需去查找UPS出故障的原因，也无需花精力去熟悉工作原理及维护技巧，只要把有故障的电源模块/电池模块/监控模块拨出，再将新的相应模块插入，就能恢复正常运行，从而简便了维护与扩容工作。
模块化和标准化的UPS系统结构可以降低成本，节省投资。这是因为：第一，减少了设备成本，即初期投资的设备购置和建设成本可以降低，避免了一次性建设的规模过大和投资过高；第二，减少了能源成本，可以让设备充分发挥使用效率，降低能源损耗；第三，减少了非能源运营成本，包括人员、培训、维护等其他方面的成本。以人员来说，可能不需要这么庞大的维护队伍，也不需要经专业培训的维护人员。
3.3 UPS蓄电池组连接方式的改进
作为不间断电源系统的储能装置， UPS蓄电池起着极其重要的作用。目前，UPS电源中广泛采用的是免维护的铅酸蓄电池，但其价格比较昂贵。有些重要的机房为了保证设备不受市电中断的影响，往往配置长延时的蓄电池系统，从而致使蓄电池的成本甚至超过UPS主机成本。
目前，有些电信机房采用模块式UPS电源，把交流供电系统与通信网络直流供电系统融为一体，利用电信机房现有直流供电系统的蓄电池组作为UPS系统的后备直流电源的供电系统。在电信机房的直流供电系统中，一般都配置了容量较大的蓄电池组。采用这种方案供电时，UPS系统逆变电源可以和直流供电系统设备共用机房内的大容量蓄电池组，交直流资源共享，无需重复投资。机房的直流系统供电的可靠性远远超过了传统UPS电源的专用电池，机房专用电池的成本也要低于传统不间断电源用的12V电池的成本，且寿命更长。这种方案既可以减少用户对电池组和充电器的投资，又可避免分散管理和维护电池组，还能提高电池组的可靠性和利用率。
在电池连接方面，传统UPS并联时，必须每台UPS配备自己的蓄电池组。随着UPS应用技术的发展，现在的UPS并联系统中，可以几台UPS主机共用一套蓄电池组。目前，有的UPS厂家又提出了改进型的热备份方式。它把两台UPS 的蓄电池并联起来，整套系统除了有整流器1和逆变器1、整流器2和逆变器2组成的通路外，还提供了由整流器1和逆变器2组成的通路和由整流器2和逆变器1组成的通路。也就是说整套UPS系统大大减少了由其自身整流器和逆变器故障原因而转到静态旁路的切换次数。同时，两台UPS主机的蓄电池组并联在一起，避免了因一组蓄电池经常放电，而另一组蓄电池长期不放电的问题。这种连接方式对蓄电池组的维护很有意义，而且在蓄电池组上花同样的钱可以获得两倍的延时。所以说，这种热备份方式也不失为一种好的选择。
3.4 UPS输入功率因数的提高
过去人们不太重视UPS的输入特性，谈到输入部分只谈输入电压范围、频率，对输入功率因数、谐波影响则不太关心。设备的功率因数低，谐波电流增大，将给电网带来很多危害：
（1）干扰其它的用电设备。
（2）增大了输入电流在传输线上的损耗。
（3）增加前级设备的功率容量，增大了投资。
（4）增大中线电流。
现在高频开关电源的功率因数较高，普遍能达到O.99 以上，是由于使用了PFC（功率因数矫正）电路，这种技术在未来的UPS系统设备中同样会得到应用。而高频PWM整流技术为大功率UPS的输入特性的改善提供了技术上的可行性。因此，有理由相信高功率因数的UPS，将会是将来在应用时所追求的选择。
4 结束语
科学的使用与维护蓄电池，使UPS供电系统经常处于良好的状态，不但能够保障用电设备正常工作，提高运行质量，而且能够延长蓄电池的使用年限，降低投资成本，提高企业效益和用户满意度，同时也是维护部门的一项经常性的重要工作。运行维护人员必须提高自身能力，思想重视，关注发展趋势，及时采用最新技术，自觉遵守各项规程，使UPS供电系统发挥应有的效能。