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数据中心UPS配套蓄电池设计
  • 目前,数据中心UPS配置的蓄电池主要是阀控式密封铅酸蓄电池。文中对铅酸蓄电池的选用原则、各类铅酸蓄电池的对比、主要技术指标、使用寿命以及蓄电池的保护、安装环境要求等做了简单介绍,并以实例介绍了电池容量的计算方法。最后,简述了UPS电池开关的设计和选型。

    1 UPS配套蓄电池概述
      
      UPS设备以及以它为核心的整个供电系统,是满足数据中心供电质量的最核心部分,而蓄电池又是整个系统中最重要的组成之一,是整个供电系统的“最后一道屏障”。特别值得注意的是,在UPS系统的故障中,与蓄电池有关的原因占30%以上,因此对蓄电池设计、选配、维护等进行规范化有着重要的意义。
      
      对蓄电池的基本原理、特性、选配原则、设计计算、安装、维护等相关事宜给出指导性原则和规范,对延长蓄电池的使用寿命和确保数据机房UPS设备的安全稳定运行具有重大意义,最终保障UPS系统不停电功能的实现。
      
      目前数据中心UPS配置的蓄电池主要是阀控式密封铅酸电池(VRLA),但随着电池技术的发展和完善,锂电池和燃料电池也逐渐成为用户的在未来的选择之一。
      
      数据中心UPS蓄电池的选择和设计必须充分考虑到现代数据中心的特点和发展趋势,并符合下述原则:
      
      (1)短时间恒功率输出特性卓越
      
      卓越的短时间(通常≤30min)恒功率输出特性,意味着在满足相同负载后备时间要求下可减小电池的容量,从而降低蓄电池成本;或采用相同容量的电池配置,可增加UPS系统总后备时间。
      
      (2)高能量密度
      
      选配合适的电池类型和容量、设计合理的组装结构,最优化的利用机房空间,提高蓄电池组的整体能量密度,有利于降低机房面积和成本。
      
      (3)高稳定性
      
      蓄电池在有效寿命期间内,应有较低的故障率,尽量避免因个别蓄电池的故障或突然失效而造成的维修或更换,这对整个蓄电池系统的后期安全稳定具有重大意义。
      
      (4)防火阻燃
      
      数据中心的UPS电池外壳塑料材质应满足V0级阻燃标准,电池端子、连接件及输出母线端子所有裸露金属部分应全部做绝缘保护处理,电池架需接地。
      
      (5)一致性
      
      数据中心UPS电池组的各单体的容量、开路电压、浮充电压等指标的一致性应符合相关标准。
      
      (6)抗震性
      
      数据中心UPS电池组架设计满足抗8级烈度要求,电池之间连接建议采用软连接。
      
      (7)便于安装与扩容
      
      蓄电池的模块化结构设计及专用安装工具的提供,可降低整体安装成本。电池组摆放位置和电池组架的设计应预留后期扩容的位置需求。
      
      (8)便于维护及更换
      
      电池组摆放及维护通道的距离,应满足日常维护及电池更换的要求。
      
      (9)长使用寿命
      
      数据中心UPS电池应有合理的使用寿命要求,过短的使用寿命将增加UPS系统的不稳定性及成本。
      
      2 VRLA蓄电池的种类
      
      作为后备用途的VRLA电池按单体电压等级分为2V、6V、12V等系列。按固定电解液的方式可分为AGM(超细玻璃纤维)电池和GEL(胶体)电池,其对比分别见表1和表2。
      


      3 蓄电池主要技术指标及使用寿命
      
      (1)蓄电池主要技术指标
      
      ①正常工作条件
      
      工作温度:-15~+45℃;
      
      蓄电池贮存温度:5~+40℃;
      
      相对湿度:≤90%(25℃);
      
      ②安装方式
      
      可满足立式或卧式安装条件。
      
      蓄电池抗震加固应符合YD5096-2005《通信用电源设备抗地震性能检测规范》的要求;
      
      ③蓄电池组按照“YD/T799-2010”规定的相关方法试验,10h率容量第一次循环不低于0.95C10,在第三次循环应达到C10,3h和1h率的容量应分别在第四次和第五次以前达到,放电终止电压应符合表3的规定;
      
      ④温度特性
      
      蓄电池在工作环境温度为0℃时的容量应不低于该电池实际容量(25℃时的C10)的80%;
      
      ⑤容量保存率
      
      蓄电池静置28天后其容量保存率不低于96%;
      
      ⑥密封反应效率
      
      蓄电池密封反应效率应不低于97%;
      
      ⑦蓄电池端电压的均衡性
      
      单体蓄电池和由若干个单体组成一体的组合蓄电池,其各电池间的开路电压最高与最低差值不大于20mV(2V)、100mV(12V)。蓄电池组进入浮充状态24h后,各蓄电池之间的端电压差值不大于90mV(2V)、480mV(12V);
      
      ⑧电池连接条压降
      
      蓄电池按1h率电流放电,在两只电池极柱根部测量的电池之间的连接条电压降≤10mV;
      
      ⑨防酸雾性能
      
      蓄电池在正常浮充工作过程中应无酸雾逸出;
      
      ⑩防爆性能
      
      蓄电池在充电过程中遇有明火,内部应不引燃、不引爆;
      
      阻燃性能
      
      蓄电池壳、盖应符合GB/T2408-1996中的第8.3.2FH-1(水平级)和第9.3.2FV-0(垂直级)的要求。电池连接线或电池连接片护套应选择阻燃性材料;
      
      气密性
      
      蓄电池应能承受50kPa的正压或负压而不破裂、不开胶,压力释放后壳体无残余变形;安全阀要求蓄电池安全阀应具有自动开启和自动关闭的功能,其开阀压应是10~35kPa,闭阀压应是3~15kPa。
      
      蓄电池外观不得有变形、漏液、裂纹及污迹,标志要清晰;
      
      过放电性能要求
      
      以C10电流放电至接近0V,短接24h,再用2.35V/单体恒压限流C10充48h然后进行C10容量检测,连续进行五次循环后蓄电池实放容量应不小于0.90C10实际容量(25℃时C10)。
      
      (2)使用寿命
      
      在电池的实际使用过程中,当电池的实际放电容量低于额定容量的80%,即认为该电池失效或寿命终止。
      
      几种典型的失效模式如下:
      
      ①板栅腐蚀
      
      蓄电池正极板栅在浮充使用时会产生腐蚀,当腐蚀深度达到极板厚度的50%时,蓄电池寿命终止。同时在腐蚀过程中,正极板栅会产生变形和伸长,称为正极板栅增长,导致板栅筋条断裂,容量将完全丧失;
      
      ②负极板极耳和连接条(汇流条)腐蚀负极板极耳和连接条(汇流条)表面会因为氧气再化合反应和电解液中的硫酸盐杂质引起化学腐蚀。同时在高电流密度下放电时,负极很容易发生钝化,使得电极表面变成孔隙小的致密层;
      
      ③失水干涸失水的原因有:
      
      •过充电产生的气体析出;
      
      •从电池壳体中渗出水;
      
      •板栅腐蚀消耗水;
      
      •自放电损失水。
      
      其中过充电造成的气体析出是实际使用中电池失水干涸,造成电池容量下降的最主要原因。
      
      ④热失控
      
      若阀控铅酸蓄电池长时间处于环境温度过高或充电设备电压失控的状况下,会造成电池内部温度过高,此时电池内阻下降,充电电流又会进一步升高,内阻进一步降低,如此反复形成恶性循环。
      
      热失控会使电池壳体严重变形、涨裂。为杜绝热失控的发生,要采用相应的措施:
      
      •充电设备应有温度补偿功能或限流功能;
      
      •严格控制安全阀质量,以使电池内部气体正常排出;
      
      •蓄电池要设置在通风良好的位置,并控制电池温度。
      
      ⑤负极硫酸盐化
      
      当蓄电池经常处于放电后搁置造成的充电不足或过放电时,负极就会逐渐形成一种粗大坚硬的硫酸铅,用常规方法充电很难使它转化为活性物质,从而减少了电池容量,甚至成为蓄电池寿命终止的原因,这种现象称为“不可逆硫酸盐化”。
      
      4 电池容量计算方法
      
      (1)恒功率法(查表法)
      
      恒功率法(查表法)是UPS蓄电池容量计算的最常用方法。
      
      蓄电池恒功率数据都来自于新电池试验数据,恒功率法(查表法)并没有考虑蓄电池的折旧以及温度的变化,故该方法适用于UPS蓄电池运行环境稳定,且UPS负荷长时间在额定容量80%以下运行时选用。
      
      ①计算公式
      
      恒功率法是能量守恒定律的体现,蓄电池提供的功率等于或大于负荷消耗的功率,即

    P负荷≤P电池 (1)

    式中,P电池--电池实际试验的恒功率数据;
      
      P 负荷--电池组提供的总功率,主要是负荷消耗的功率。
      
      当以UPS为负荷时,P负荷可表示为  (2)

    式中,P(VA)--UPS标称容量(VA);
      
      PF--UPS功率因数;
      
      η--逆变器转换效率。
      
      每个电池单体需要提供的功率为(3)

    式中,Pnc--每个单体需要提供的功率;
      
      n--机器配置的电池数量;
      
      N—每节电池的单体电池数。如12V电池是由6个2V单体电池组成的,则N=6;
      
      ②计算实例
      
      100kVA UPS,后备时间30min,计算电池配置。
      
      首先确认参数要求:
      
      •恒功率数据表(25℃,电池单体终止电压Umin=1.70V);
      
      •UPS的逆变效率η;
      
      •UPS单组电池只数n。
      
      查恒功率放电数据表(表4),可得到如下的配置方案:
      
      由式(2)和式(3)可得
      
      选用12NP100型蓄电池,查表(4),在Umin=1.70V,放电时间30min,单格恒功率为198W。
      
      将P(VA)=100kVA=100×103VA、PF=0.8、N=6、n=36、η=0.95代入式(4)

    得Pnc=390(W)
      
      两组12NP-100蓄电池(每组36只)恒功率198×2=396>390(W),满足UPS运行30min的后备时间,或者选择一组12NP-200蓄电池(每组36只)。
      
      (2)估算法
      
      该方法是和电力公式和蓄电池容量概念的体现。根据已经确定的UPS品牌及型号,可知蓄电池组最低电压Umin。
      
      ①计算公式
        
      式中,  
      C10—蓄电池10小时率容量;
      
      KCh—容量换算系数(1/h),根据蓄电池不同、放电时率不同,在放电终止电压下,电池的容量换算系数。
      
      在UPS系统中,多数情况负荷容量是保持不变的,而电池组的功率随着放电时间逐渐降低,根据P=UI可知,为提供恒定的负荷容量,电池组放电电流将逐渐增大。为了计算方便,我们选择蓄电池组的最大工作电流为我们的计算数据。
      
      具体计算如下:
      
        
      式中,Imax--电池组提供最大电流;
      
      Umin--电池组最低工作电压值。
      
      从估算法的计算公式可以看出,由于采用了电池组最低工作电压值Umin,所以会导致要求的蓄电池组的安时容量偏大的情况。这是因为当蓄电池在刚放电时所需的放电电流明显小于Imax的缘故。
      
      按目前的使用经验,可以在计算出C10值的基础上再乘以0.75的校正系数;
      
      ②计算实例
      
      100kVA的UPS,后备时间30min,计算电池配置。
      
      根据公式计算如下:
      
      将有关数据代入式(7)得
      
      由式(6)可得C10=Imax/KCh=229÷0.9=255(Ah)
      
      根据经验还要乘以0.75的系数校正,结果C10=191(Ah),可选择12NP-100电池2组或者1组12NP-200电池。
      
      (3)电源法
      
      该方法是在所介绍的UPS后备蓄电池容量计算方法中唯一标准(通信电源设备安装工程设计规范YD/T5040-2005)支持的方法。该方法比估算法更全面考虑UPS电池在整个服役期间的电池状态,在电池运行环境温度变化较大时,更能准确计算出电池的容量。
      
      ①具体计算
      
        
        
      上面两式中,I—电池组电流(A);
      
      Q—电池组容量(Ah);
      
      PF—功率因数,取值0.8;
      
      K—电池保险系数,取值1.25;
      
      T—电池放电时间(h);
      
      H—电池放电系数(见表5);
      
      U—蓄电池放电时的输出电压(V)(单体电池电压为1.85V);
      
      A—电池温度系数(1/℃),当放电小时率≥10时,取0.006,当1≤放电率<10时,取0.008,当放电率<1时,取0.01;
      
      T—电池所在地最低环境温度值,所在地有采暖设备时,按15℃考虑。无采暖设备时,按5℃考虑;
      
      η—逆变器转换效率。
      
      此方法比较全面地考虑环境因素以及蓄电池容量衰减,UPS满荷使用机率较大,以及重要使用场合选用此方法计算配置电池容量。
      
      ②计算实例
      
      100kVA的UPS,后备时间30min,计算电池配置。
      
      将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)
      
      将蓄电池终止电压=1.75V,根据表5查得在放电时间为30min(0.5h)时,电池放电容量系数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)
      
      结果需要2组12NP-200电池,每组36只。
      
      5 UPS与蓄电池的连接与物理保护
      
      (1)蓄电池内部连接线(连接板)
      
      ①连接线(连接板)截面积,要根据电池组最大放电电流进行配置。如4(1)节中的例子,100kVAUPS,后备时间15min,采用恒功率计算方法配置蓄电池时,通过计算可知,蓄电池的最大电流为230A,连接线(连接板)的截面积要满足安全通过230A的电流;
      
      ②多组电池并联时要考虑单组电池供电的极端情况。如100kVAUPS,后备时间15min,如果采用一组配置,连接线(连接板)的截面积要满足安全通过230A的电流;若采用两组配置,则每组的连接线(连接板)的截面积要满足安全通过230A的电流;若采用三组配置,考虑到其中一组电池需要检修退出系统时,其余两组的连接线(连接板)的截面积总和要满足安全通过230A的电流。
      
      (2)蓄电池内部连接的物理保护
      
      ①连接线(连接板)应用绝缘护套和防锈镀层,绝缘护套采用V0级阻燃材料,防锈镀层可以采用镀锌等防锈处理方法;
      
      ②连接线(连接板)要求采用紫铜材料,紫铜材料的纯度不低于99.90%。
      
      6 蓄电池的安装环境要求
      
      (1)蓄电池布局要求
      
      蓄电池组的布置应符合下列要求:
      
      立放蓄电池组之间的走道净宽不应小于单体电池宽度的1.5倍,最小不应小于0.8m;立放双层布置的蓄电池组,其上下两层之间的净空间距离为单体电池高度的1.2~1.5倍;
      
      立放双列布置的蓄电池组,一组电池的两列之间净宽应满足电池抗震架的结构要求;
      
      立放蓄电池组侧面与墙之间的次要走道净宽不应小于0.8m;如为主要走道时,其净宽不宜小于电池宽度的1.5倍,最小不应小于1m;立放单层双列布置的蓄电池组可沿墙设置,其侧面与墙之间的净宽一般为0.1m;
      
      立放蓄电池组一端靠墙设置时,列端电池与墙之间的净宽一般不小于0.2m;
      
      立放蓄电池组一端靠近机房出入口时,应留有主要走道,其净宽一般为1.2~1.5m,最小不应小于1m;
      
      卧放阀控式蓄电池组的侧面之间的净宽不应小于0.2m;
      
      卧放阀控式蓄电池组的正面与墙之间,或正面与侧面或背面之间的走道净宽不应小于电池总高度的1.5倍,最小不应小于1.2m;
      
      卧放阀控式蓄电池组的正面与墙之间的走道净宽不应小于电池总高度的1.5倍,最小不应小于1m;
      
      卧放阀控式蓄电池组可靠墙设置。其背面与墙之间的净宽一般为0.1m,蓄电池组的侧面与墙之间的净宽不应小于0.2m。
      
      (2)安装场地要求
      
      ①蓄电池安装地点应远离热源及可能产生火花的地方;
      
      ②电池组安装距墙壁及其它设备的安全距离应遵照本章第(1)节的要求;
      
      ③蓄电池应安装在通风良好阴凉的房间内,避免阳光直射;
      
      ④尽量避免安装在空调出风口旁的位置;
      
      ⑤电池室应做通风设计,防止电池使用不当造成的易爆气体聚集;
      
      ⑥蓄电池安装地点不能有剧烈的震动源或碰撞冲击源。
      
      (3)蓄电池发热量计算
      
      蓄电池在充、放电过程中,恒温是比较困难的,因为铅酸蓄电池在充电和放电时都伴随着热效应,一是产生焦耳热,另外是根据Gibbs-Helmholz方程式有吸热或放热,为克服两极极化和电池内阻而损失的电压降将全部转化为热量。
      
      充电过程中蓄电池的内部的状态一直处于变化中,所以发热量的计算非常复杂。行业内各个电池厂家的共同研究测试,最终将蓄电池的发热量计算公式简化如下:
      
      Q=I×U×N    (10)

    其中,
      
      Q—蓄电池发热功率,单位:W;
      
      I—充电电流,单位:A;
      
      U—充电电压,单位:V;
      
      N—蓄电池数量。
      
      蓄电池在浮充状态下,发热量很小,可以忽略不计。在放电状态下,由于是将蓄电池内的化学能转化为电能,这一过程是吸热过程,所以此时是不发热的(吸收的热量很小,可以忽略)。蓄电池的均充状态又可以细分为两部分:在均充的初期,由于此时充入的电能绝大部分都转化为化学能在蓄电池中储存起来,所以此时的发热量也很小,可以忽略;在均充的后期,电能转化为化学能的效率大大降低,此时会有较大的发热量。
      
      以2V500Ah的蓄电池为例,在均充的后期,一组蓄电池(384V)由192单体组成,均充电压为2.35V,电流为2A,其发热量为Q=I×U×N=2×2.35×192=902.4(W)
      
      (4)排氢气及排酸气量计算
      
      蓄电池在工作过程中,会有少量氢气和酸气(主要是SO2气体)排出。气体的排出量和环境温度有关,温度越高排出量就越大。蓄电池的排氢和排酸气的量,影响条件复杂,至今没有一个准确地计算方法。
      
      目前的测试是依据IEC60896-2004的试验方法,在实验室条件下测量。测试结果为2mL/100Ah/h。
      
      7 UPS电池开关的设计与选型
      
      UPS的电池开关需要依据UPS的电气参数及电池配置来选择,电池开关应选择直流断路器。不同品牌不同型号的UPS,其电池的配置节数通常是不一样的,所以需要依据具体的UPS参数来进行电池开关放电电流的计算,放电电流的通用计算公式为
      
      上式中的1.75为假定的单体电池放电保护电压。这一计算出来的I电池值是所有电池组的总放电电流。
      
      但是,数据中心UPS系统通常都配置有至少两组以上的电池组并联为UPS供电,最为常见的是配置三组蓄电池。此时,每一分组电池开关实际并不需要配置这么大,可以依据一组电池退出检修时,恰逢市电中断,余下的两组电池需要承担额定负载来选择电池开关,因此可依据每一组电池开关的最大放电电流为I电池/2来选择分组电池开关的容量,如总开关是1000A,则分开关可选择500A。
      
      除了每组电池开关以外,为了操作方便,通常数据中心UPS的蓄电池系统都需要配置一个总开关,这一开关的容量选择可以依据I电池来选择电池的总开关。由于1000A以下的直流开关一般都采用热磁脱扣原理来实现短路保护,所以如果总开关再选用断路器来保护,很难保证总开关与分组开关之间的保护选择性,而且由于分组开关已经选用了直流断路器,总开关选择断路器的短路保护功能基本没有意义。所以建议,UPS的总电池开关选用具有自动跳闸功能的负荷开关来代替,不仅经济,也具有更可靠的短路保护选择性。
      
      为了保持UPS应急状态情况下能断开电池总开关和在直流母线电压没有建立时禁止电池合闸,这一总开关需要配置脱扣线圈附件,常用的脱扣电压可选的为AC/DC24/48/110V,根据具体选择UPS的要求来定;同时应配置辅助触点信号,以便UPS能监控电池总开关的状态。
      
      为了检修电池方便与操作维护安全,这一电池开关应独立成柜,并安装在电池架或柜的一侧。
      
      8 结束语
      
      对蓄电池的工作原理、特性、选配原则、设计计算、安装、维护等诸多问题,应该有充分的了解,这对延长蓄电池的使用寿命,确保数据中心机房UPS设备的安全稳定运行是十分重要的。蓄电池的长寿命和稳定运行是实现UPS系统不停电功能的重要保证。
      
      (该文主要内容摘自数据中心工作组出版的《数据中心备用电源白皮书》,本文发表时作了必要的补充与修改。)
      
      作者简介
      
      王伟,伊顿电气集团电能质量业务部技术总监,中国工程建设标准化协会通信专业委员会数据中心工作组专家,本刊编委。
      
      编辑:Harris
      
      

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