閥控式密封鉛酸蓄電池組的容量試驗

在數(shù)據(jù)中心中,閥控式密封鉛酸蓄電池組作為備用電源在系統(tǒng)中的作用非常重要。鉛酸蓄電池工作狀態(tài)的穩(wěn)定與否、性能好壞都與UPS系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性和可靠息相關(guān)。蓄電池組容量監(jiān)測研究的意義在于提高UPS的利用率,實時在線監(jiān)控蓄電池組的健康狀態(tài),提供高效率的電池管理,提高后備電源系統(tǒng)的穩(wěn)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(jīng)濟(jì)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(jìn)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(tǒng)運行中的可靠性。
　　
　　根據(jù)聯(lián)通動力維護(hù)規(guī)程,蓄電池組使用三年必須進(jìn)行容量試驗,使用六年后每年進(jìn)行一次容量試驗,準(zhǔn)確地監(jiān)測電池組的容量,確保在市電和電源設(shè)備出現(xiàn)故障時,蓄電池組能夠保障通信設(shè)備續(xù)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(jìn)行測量。
　　
　　(1)離線式測量法
　　
　　在采用離線式測量法進(jìn)行蓄電池的容量試驗時,應(yīng)按下述步驟進(jìn)行:
　　
　　①將充滿電后的蓄電池組脫離供電系統(tǒng)靜置1～24h,在環(huán)境溫度為25±5℃的條件下開始放電;
　　
　　②放電開始前應(yīng)測量蓄電池的端電壓,放電期間應(yīng)測記蓄電池的放電電流、時間及環(huán)境溫度,放電電流波動不得超過規(guī)定值的1%;
　　
　　③放電期間應(yīng)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(zhǔn)確地確定達(dá)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(yīng)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(huán)境溫度(℃);
　　
　　K——溫度系數(shù);
　　
　　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(jié)束后,要對蓄電池組充電,充入電量應(yīng)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(jìn)行電池組容量試驗時,應(yīng)注意以下幾個問題:
　　
　　①電池組離線式容量試驗,測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(dāng)該供電系統(tǒng)只剩下一組電池后備,系統(tǒng)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(zhì)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(shè)備放電保障風(fēng)險系數(shù)增大。所以用此種方法對電池組進(jìn)行容量試驗時,要求柴油發(fā)電機(jī)組必須處于蕞佳工況狀態(tài),以確保發(fā)電機(jī)組、開關(guān)電源等設(shè)備正常運行;
　　
　　②放電結(jié)束后的電池組充滿電后再并入供電系統(tǒng),此時與在線電池組間存在電壓差,若操作不當(dāng)將引起開關(guān)電源對并入的電池組進(jìn)行大電流充放電,產(chǎn)生火花,易發(fā)生安全事故。為了解決打火花問題,必須調(diào)整開關(guān)電源輸出電壓,然后與充滿電的電池組電壓相等后進(jìn)行并聯(lián)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(fù)極保險,尤其是脫離電池組負(fù)極保險時,需要特別小心并做好絕緣處理。操作不當(dāng)引起負(fù)極短路,將造成系統(tǒng)供電中斷和人身安全事故的發(fā)生。同時放電電池組通過假負(fù)載以熱量形式消耗,浪費電能,增大了機(jī)房空調(diào)的制冷時間,影響機(jī)房設(shè)備運行環(huán)境,需要維護(hù)人員時刻守護(hù),以免假負(fù)載高溫引發(fā)通信供電設(shè)備故障;
　　
　　④關(guān)電源直流輸出電壓為46.4V,使電池組直接對實際負(fù)荷進(jìn)行放電至開關(guān)電源直流輸出電壓保護(hù)設(shè)置值。由于電池組放電電流大,應(yīng)按電源維護(hù)規(guī)程考慮48V供電范圍40～57V的低供電低壓門限,電池組至設(shè)備供電回路全程壓降3.2V及電池單體放電低1.8V的要求考慮。為了保證供電系統(tǒng)安全,所以帶實際負(fù)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(zhǔn)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(dá)到試驗的預(yù)期效果。
　　
　　(2)在線式測量法
　　
　　在利用在線式測量法進(jìn)行蓄電池組容量試驗時,應(yīng)按如下步驟進(jìn)行:
　　
　　①在供電系統(tǒng)中,關(guān)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(shè)備,在蓄電池組放電中找出蓄電池組中電壓低、容量差的一只電池來作為容量試驗的對象;
　　
　　②恢復(fù)整流器至正常工作狀態(tài),對蓄電池組進(jìn)行充電,等蓄電池組充滿電后穩(wěn)定1h以上;
　　
　　③對①中放電時找出差的那只電池進(jìn)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(yīng)隨時測記,以便準(zhǔn)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(dāng)室溫不是25℃時,應(yīng)按式(1)換算成25℃時的容量;
　　
　　⑤放電試驗結(jié)束后,用充電機(jī)對該只電池進(jìn)行充電,恢復(fù)其容量;
　　
　　⑥根據(jù)測記的數(shù)據(jù)繪制放電曲線。
　　
　　在利用在線式測量法進(jìn)行蓄電池組容量試驗時,應(yīng)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(zhì)量問題,其放電至輸出保護(hù)值的時間,不易被維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn),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(shù)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(dá)到,關(guān)鍵是在全容量放電的實踐中會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn),此放電方式只能大致評估電池組容量,而無法準(zhǔn)確檢測具體放電多長時間。同時兩組電池組間放電電流不*均衡,各電池組將根據(jù)自身情況自然分?jǐn)傁到y(tǒng)的負(fù)載電流。落后電池組內(nèi)阻大、放電電流小,而正常電池組內(nèi)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(dá)不到進(jìn)行電池組放電性能質(zhì)量檢測目的。
　　
　　(3)單組全在線式節(jié)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(nèi)無法保證對所有的蓄電池組進(jìn)行一輪放電試驗,亦即蓄電池組得不到及時有效的維護(hù);
　　
　　•這兩種測量方法追求的是結(jié)果而不是過程,所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)該組蓄電池有質(zhì)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(yán)格地按照維護(hù)規(guī)程進(jìn)行著維護(hù),仍然無法確保在用蓄電池的性能良好、保證通信網(wǎng)絡(luò)的順暢運行;
　　
　　•離線全容量放電測試存在嚴(yán)重的安全隱患問題,操作不當(dāng)會對系統(tǒng)供電安全造成嚴(yán)重的影響,同時嚴(yán)重浪費能源,而且放電結(jié)束后被測蓄電池組和系統(tǒng)存在巨大的壓差,回接系統(tǒng)相當(dāng)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(tǒng)電壓降低,系統(tǒng)上所有的電池組同時對實際負(fù)載放電,如果市電停了,系統(tǒng)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(zhǔn)確的測試出蓄電池的剩余容量,達(dá)不到檢測蓄電池性能的目的,給系統(tǒng)維護(hù)留下安全隱患。
　　
　　解決這個難題的方法在于采用安全節(jié)能的“蓄電池組全在線容量試驗”。單組全在線式節(jié)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(jié)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(shè)備工作電源之間串聯(lián)一套“電池組全在線放電安全節(jié)能維護(hù)系統(tǒng)FBI”,讓被測電池組相對另一組處于浮充狀態(tài)的電池組具有略高電位的趨勢,并通過FBI系統(tǒng)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(fù)載設(shè)備進(jìn)行供電,隨著被測電池組電壓的下降,FBI系統(tǒng)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(xù)在線供電,當(dāng)被測電池組以恒定電流或恒定功率在線放電到預(yù)先設(shè)定的截止電壓后,FBI系統(tǒng)自動引導(dǎo)整流器在線對被測電池組充電恢復(fù),隨著被測電池組電壓的上升,FBI系統(tǒng)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(fù)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(tài)。采用FBI,*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(dāng)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(jié)能容量試驗的充放電過程和全在線充、放電設(shè)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(shè)備串聯(lián),不需要調(diào)整開關(guān)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(guān)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(fù)荷進(jìn)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(shè)備進(jìn)行自動電壓補償調(diào)整,保證被測電池組始終保持恒定電流或恒定的功率進(jìn)行放電,當(dāng)電池組放電終止即電壓、容量、時間和單體電池電壓達(dá)到預(yù)期所設(shè)置的放電門限值時,放電試驗自動結(jié)束。自動轉(zhuǎn)入對被測電池組的全在線充電恢復(fù)過程,以消除兩組電池之間存在的電壓差,并引導(dǎo)在線開關(guān)電源輸出,經(jīng)過充電、等電位控制保護(hù)電路自動對被測放電后的電池組進(jìn)行限流充電,自動完成在線等電位連接,恢復(fù)系統(tǒng)的正常連接后,全在線充、放電設(shè)備退出,結(jié)束蓄電池組充電恢復(fù)等電位連接過程。實現(xiàn)了該電池組在線充、放電試驗?zāi)康暮土私庠撾姵亟M的續(xù)航能力。
　　
　　②全在線充、放電設(shè)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(fù)極,只在負(fù)極接一根放電設(shè)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(jìn)行。被測電池組按0.1C10率直接對負(fù)載放電和對電池組充電,無須看守,大大減輕工作強(qiáng)度,提高工作效率。
　　
　　圖5為某通信機(jī)房-48V直流供電系統(tǒng)3000Ah電池(兩組)的全在線式節(jié)能容量試驗現(xiàn)場。
　　
　　圖5中,有兩組-48直流供電系統(tǒng)3000Ah電池,每組用全在線設(shè)備單獨對負(fù)載放電試驗做具體操作。首先將6個無線監(jiān)測模塊連接到該組電池各單體上(每個無線監(jiān)測模塊可以監(jiān)測4只單體電池電壓),全在線設(shè)備控制系統(tǒng)上設(shè)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(dá)到,放電都將停止)。設(shè)定放電電流為300A,核對所有設(shè)置參數(shù)正確后進(jìn)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(shè)備的電壓逐步上升,整個放電支路在線電壓保持比系統(tǒng)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(tài)。此時開關(guān)電源的輸出電壓保持在54V,而開關(guān)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(fù)荷用電,放電過程中全在線設(shè)備沒有任何發(fā)熱現(xiàn)象,安全可靠。當(dāng)放電時間達(dá)到10h,到達(dá)設(shè)定某個參數(shù)的門限值時,全在線設(shè)備停止放電。自動轉(zhuǎn)入充電程序,直到兩組電池等電位后,充電結(jié)束,拆下全在線充、放電設(shè)備,供電系統(tǒng)運行正常。
　　
　　在線設(shè)備串聯(lián)單組電池的放電節(jié)能方式,是將電池組中的電能直接釋放到實際負(fù)載中,不像離線放電是將電能以熱量形式消耗,所以串聯(lián)在線設(shè)備對電池組放電方法具有節(jié)能效果。
　　
　　傳統(tǒng)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(shù)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(shè)備的節(jié)能總電量P=離線放電的能耗Q+開關(guān)電源少輸出的能量W
　　
　　開關(guān)電源少輸出的能量
　　
　　W=開關(guān)電源輸出電壓×放電電流×放電時間×電池組數(shù)=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(tǒng)中的兩組3000Ah電池容量試驗可以節(jié)約電費約489.6元。
　　
　　2 蓄電池組容量測試一般周期
　　
　　①每年應(yīng)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(yīng)做一次容量試驗,使用六年后應(yīng)每年一次。對于UPS使用的6V及12V單體的電池應(yīng)每年一次;
　　
　　③-48V系統(tǒng)的蓄電池組,放電電流不得大于0.25C10。
　　
　　3 結(jié)束語
　　
　　上述三種蓄電池的容量試驗方法,是日常維護(hù)中常用的方法,但無論哪種方法,在容量測試期間,通信安全都會受到一定的威脅。因此在做容量試驗時要防止市電停電,備用發(fā)電機(jī)組應(yīng)處于良好狀態(tài)。
　　
　　有條件的,應(yīng)采用專業(yè)蓄電池容量測試設(shè)備進(jìn)行放電、記錄、分析,以提高測試精度和工作效率。