1UPS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***核心部分,而蓄电池又是整个系统中***重要的组成之一,是整个供电系统的“***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,***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******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,***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***金属部分应全部做绝缘保护处理,电池架需接地。(5)*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*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。2VRLA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***电源设备抗***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*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***高与***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***、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***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***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***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***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***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***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***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100kVAUPS,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***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***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***大电流;Umin--电池组***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***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*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***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***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***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***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。5UPS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***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***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%。)