UPS供電系統的蓄電池選擇、配置及維護

  1.概述
  
  大型石油化工企業的顯著特點是原料及產品絕大多數為易燃、易爆、有毒、腐蝕性強的物質：生產工藝連續性強，自動化程度高，技術復雜，設備種類繁多，稍有不慎就可能發生破壞性很大的事故。因此石化企業對提供可靠電源保障的UPS供電系統的可靠性、連續性和安全性要求很高。
  
  UPS供電系統在各行業數據中心中起到重要的電源保障作用，要為負載提供不間斷的供電，就必須具有電能儲存的功能。因此，蓄電池成為UPS供電系統的重要組成部分。而由于蓄電池本身或者管理上的原因，目前有許多UPS故障是由蓄電池引起。因此有必要加強對蓄電池特性的了解，正確選配和使用蓄電池，盡可能地延長蓄電池的使用壽命。同時，如何管理蓄電池成為各個UPS廠家及行業用戶重點研究的問題。
  
  以下對目前大型UPS系統廣泛采用的閥控式密封鉛酸（VRLA）蓄電池在UPS供電系統中的作用、工作原理、配置、選用、安裝、維護等方面進行探討。
  
  2.蓄電池在UPS供電系統中的作用和意義
  
  在UPS供電系統中，蓄電池大多采用免維護蓄電池。蓄電池在UPS供電系統中的主要作用就是儲存電能，一旦市電中斷，由電池放電供給逆變器，由逆變器將電池釋放出的直流電轉變為正弦交流電，維持UPS的電源輸出，確保負載在一定的時間內正常用電。
  
  在市電正常供電時，電池在整流－充電電路中儲存電能，同時對直流電路起到平滑濾波的作用，并在逆變器發生過載時，起到緩沖器的作用。
  
  而在日常工作中，人們往往片面地認為蓄電池是免維護的而不加重視。然而由于對蓄電池的不合理使用，產生了蓄電池的電解液干涸、熱失控、早期容量損失、內部短路等問題，進而嚴重影響到供電系統的可靠性。有資料表明，蓄電池故障而引起UPS主機故障或工作不正常的比例大約為60%。由此可見，加強對UPS電池的正確使用與維護，對延長蓄電池的使用壽命，降低UPS供電系統故障率，有著越來越重要的意義。
  
  3.蓄電池的種類
  
  蓄電池在UPS中已得到廣泛的應用，其品種繁多，型號齊全，規格各異，但按其基本性質可以分為酸性電池和堿性電池兩大類：
  
  酸性電池：酸性電池的電解液一般是由稀硫酸（H2SO4）或者膠體硫酸構成，極板由鉛Pb和過氧化鋁PbO2構成，通過化學反應貯存電荷，起到電池儲能的作用。
  
  堿性電池：堿性電池的電解液一般是由氫氧化鉀KOH或者氫氧化鈉NaOH（燒堿）組成。極板由于電池的結構不同而各異。如鎘鎳電池正極板是氫氧化鎳Ni(OH)3，負極板是鎘Cd；鐵鎳電池的正極板是氫氧化鎳Ni(OH)3，負極板是鐵Fe；銀鋅電池的正極板是過氧化銀Ag2O3，負極板是鋅Zn。
  
  4.鉛酸蓄電池的工作原理
  
  UPS、直流電源設備常用的蓄電池是鉛酸蓄電池。傳統的鉛酸蓄電池是開口式結構，電池在使用過程中，有氫氣和氧氣以及酸霧逸出，不僅污染環境還具有危險性，維護時需要加水、加酸，已逐漸被市場淘汰。現在UPS供電系統中蓄電池大多采用閥控式密封鉛酸（VRLA）蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池的主要優點是在充電時正極板上產生的氧氣，通過再化合反應在負極板上還原成水，使用時在規定浮充壽命期內不必加水維護，所以又稱為免維護鉛酸蓄電池。可見，免維護只是與普通蓄電池相比，運行中免去了添加純水或蒸餾水，調整電解液液面的項目，并非免去一切維護工作。
  
  閥控式密封鉛酸蓄電池的工作原理，基本上沿襲于傳統的鉛酸蓄電池，其正極活性物質是二氧化鉛（PbO2），負極活性物質是海綿狀鉛（Pb），電解液是稀硫酸（H2SO4），其電極反應方程式如下：
  
  PbO2+2H2SO4+Pb≒2PbSO4+2H2O
  
  5.兩種閥控式密封鉛酸蓄電池比較
  
  目前閥控式密封鉛酸蓄電池主要有兩類，即玻璃纖維隔板陰極吸收式密封鉛蓄電池（如GNB、霍克電池）和硅凝膠密封鉛蓄電池（如德國的陽光電池）。
  
  兩種電池極板相同：正極板柵采用鉛鈣錫鋁四元合金或低銻多元合金，負極板柵采用鉛鈣錫鋁四元合金。并使用緊裝配和貧液設計，在電池的上蓋中設置了一個
  
  單向的安全閥。由于采用無銻的鉛鈣錫鋁四元合金，提高了負極析氫過電位，從而抑制氫氣的析出，同時，采用特制安全閥使電池保持一定的內壓。
  
  兩種電池隔板不同：即分別采用超細玻璃纖維棉（AGM）隔板和硅凝膠二種不同方式來“固定”硫酸電解液。它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的，但給正極析出的氧氣到達負極提供的通道是不同的。對AGM密封鉛酸蓄電池而言，AGM隔膜中雖然保持了電池的大部分電解液，但必須使10%的隔膜孔隙中不進入電解液。正
  
  極生成的氧氣就是通過這部分孔隙到達負極而被負極吸收的。對膠體密封鉛酸蓄電池而言，電池內的硅凝膠是以SiO2質點作為骨架構成的三維多孔網狀結構，它將電解液包藏在里邊。電池灌注的硅溶膠變成凝膠后，骨架要進一步收縮，使凝膠出現裂縫貫穿于正負極板之間，給正極析出的氧氣提供了到達負極的通道。
  
  由此看出，兩種電池的區別就在于電解液的“固定”方式和提供氧氣到達負極通道的方式有所不同，因而兩種電池的性能也各有千秋。
  
  6.UPS供電系統中蓄電池的配置和選擇
  
  在UPS供電系統中，可以說蓄電池是這個系統的支柱。沒有蓄電池的UPS只能稱做穩壓穩頻電源。UPS之所以能實現不間斷供電，就是因為有了蓄電池。在設計UPS時，首先應考慮選擇什么型號的蓄電池，即蓄電池的額定電壓、額定容量及應由多少節蓄電池組合等。
  
  （1）蓄電池的額定容量選擇
  
  由于蓄電池的實際可使用容量與放電電流大小、系統電壓、放電時間、蓄電池工作環境溫度、蓄電池儲存時間的長短、負載種類和特性等因素密切相關。蓄電池的容量一般是指在20°C，以20h放電率放電到1.75V／單體時，蓄電池輸出的功率數（W）。
  
  (2)蓄電池的指標選擇
  
  內阻：應選擇內阻小的蓄電池，這樣才能持續大電流放電。如果內阻較大，在充放電過程中功耗加大，使蓄電池發燙。
  
  浮充電壓：在相同溫度下，浮充電壓值高意味著儲能量大，質量差的蓄電池浮充電壓值一般較小。蓄電池浮充電壓值在不同的溫度時應進行修正。
  
  在大中型（幾kVA-幾千kVA）UPS中采用2V單體系列蓄電池，避免采用小容量組合蓄電池進行混聯。
  
  7.蓄電池的使用和維護
  
  7.1VRLA蓄電池的運行環境與安裝
  
  作為備用蓄電池，蓄電池平時都處于浮充狀態，此時蓄電池內部仍進行著復雜的能量轉換。浮充過程中所用的電能基本上轉換為熱能。因此要求蓄電池所處的環境應有良好的通風散熱能力或有空調設備。
  
  電池盡可能安裝在清潔、陰涼、通風、干燥的地方，并要避免受到陽光、加熱或輻射熱源的影響，讓電池有一個良好的工作、儲存環境。
  
  蓄電池一般應在5℃～35℃范圍內進行充電，低于5℃或高于35℃都會降低壽命，充電的設定電壓應在指定范圍內，如超出指定范圍將造成蓄電池損壞、容量降低、壽命縮短。
  
  （1）初充電:蓄電池在安裝或大修后的第一次充電，稱為初充電。初充電是否良好，將嚴重影響蓄電池的壽命。
  
  （2）浮充充電:為了確保直流電源不間斷，延長蓄電池的使用壽命，通常都采用充電電源與蓄電池組并聯的浮充供電方式。
  
  （3）均衡充電:在正常運行狀態下的電池組，通常不需要均衡充電。但如果發現電池組中單體電池之間電壓不均衡時，則應對電池組進行均衡充電。
  
  （4）補充充電:電池在存放、運輸、安裝過程中，會因自放電而失去部分容量。因此，在安裝后投入使用前，應根據電池的開路電壓判斷電池的剩余容量，然后采用不同的方法對蓄電池進行補充充電。對備用擱置的蓄電池，每3個月應進行一次補充充電。
  
  7.2VRLA蓄電池的使用與維護
  
  隨著科技的不斷發展，UPS的性能越來越好，平均無故障時間越來越長，整機的可靠性越來越高。做好UPS中蓄電池的使用與維護變得尤為重要。
  
  (1)新電池的充電
  
  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，充電要按說明書中的規定進行，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。
  
  (2)定期充放電
  
  UPS蓄電池長期閑置不用或使蓄電池長期處于浮充狀態而不放電，會導致電池中大量的硫酸鉛吸附到電池的陰極表面，導致內阻增大、活性下降，使蓄電池的使用壽命大大縮短。對于市電供電良好的單位，需要每隔三個月進行一次“治療性”充、放電過程，即電池帶載放電、再充電操作，并記錄相關數據，與以前放電記錄進行比較分析電池性能狀況，對電池組整體進行維護檢查，真正遇到市電停電時，才能有效保護負載安全。
  
  (3)嚴禁深度放電
  
  蓄電池的使用壽命與蓄電池的放電深度密切相關。深度放電會造成蓄電池內部極板表面硫酸鹽化，導致蓄電池內阻增大，嚴重時會使個別電池出現“反極化”現象和電池的永久性損壞。電池的放電深度嚴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。
  
  (4)定期測量電池浮充電壓、內阻
  
  隨著UPS使用時間的延長，總有部分電池的充放電特性會逐漸變壞，內阻增大、端電壓明顯下降，需要及時發現、及時更換，否則會影響整組電池的使用。這種電池的性能不可能在依靠UPS內部的充電電路來解決，繼續使用會存在隱患，需要維護人員定期進行測量檢查每個單體電池的電壓、內阻，發現超出范圍的電池進行確認、及時更換。
  
  (5)其他注意事項
  
  ①每次蓄電池組放電后應及時充電；
  
  ②不要使蓄電池組被過電流或過電壓充電；
  
  ③蓄電池應避免長期擱置不用，也不能長期浮充而不放電。
  
  8.蓄電池的智能管理
  
  蓄電池在正常情況下處于靜態存放、備用工作狀態，為防止用戶在完全不知情的情況下，由于市電供電中斷而造成UPS在極短時間內進入“蓄電池電壓過低自動關機”的工作狀態，從而停止向負載供電。這就要求維護人員不僅需要每日按照規定的時間段進行現場巡視外，還需要將蓄電池管理納入UPS監控系統，UPS實時對電池的狀態進行檢測，并將電池的相關信息通過網絡傳送到值班室或控制室以便工作人員了解電池的狀態，以保證電池的工作質量。為了提高電池的使用壽命，減少維護工作，降低維護成本。應建立良好的電池維護系統，一定要具備：
  
  （1）自動均/浮充轉換。即供電正常時對電池進行均恒充電。電池放電后自動對電池進行均恒充電，當電池充滿后，自動轉為浮充電。
  
  （2）充電限流。采取先恒流后恒壓的充電方式。充電初期，充電電流較大，UPS根據所配置的蓄電池電池容量，自動將充電電流限制在0.1～0.2C，對蓄電池進行恒流充電，確保蓄電池充電時安全快速。當蓄電池容量達到80%以后，UPS轉為浮充電壓對蓄電池進行恒壓充電。
  
  （3）后備時間顯示及低電壓報警。當UPS由于各種原因切換到蓄電池供電時，用戶需要及時地了解系統的后備時間，且采取相應的措施。當蓄電池電壓降到低限時，報警通知用戶，然后自動關機以防止蓄電池深度放電。
  
  （4）溫度補償。環境溫度變化時，必須對浮充電壓進行校正，校正系數為18mV/℃（標稱12V的電池）。為簡單計，可以分級校正。
  
  電池靜置時，溫度太高，電池的自放電加劇。電池使用條件推薦為20℃～25℃，溫度太低，電池放電容量降低，充電接受能力下降。溫度太高，反應加劇，導致失水，極板腐蝕加劇。電池的充電電壓通過溫度補償來改變，溫度高時，充電電壓降低，使電池處于最佳浮充狀態。
  
  因此，保證電池服務最佳方案是將環境溫度控制在20℃～25℃，控制放電次數、放電深度、放電和充電電流以及定時充放電的周期。
  
  9.結語
  
  以上通過對閥控式密封鉛酸蓄電池在UPS供電系統中的作用、工作原理、配置維護等方面進行進行全面分析，并結合實際工作經驗，提出一些行之有效的方法，幫助用戶提高蓄電池維護管理水平，更加明確了蓄電池在保障UPS供電系統安全運行中的重要作用。