充電機充電蓄電池組的容量試驗
2017-6-13 9:23:46??????點擊：
在數據中心中,充電機充電蓄電池組作為備用直流電源在系統中的作用非常重要。鉛酸充電機充電蓄電池工作狀態的穩定與否、性能好壞都與UPS系統的輸出穩定性和可靠性息息相關。充電機充電蓄電池組容量監測研究的意義在于提高UPS的利用率,實時在線監控充電機充電蓄電池組的健康狀態,提供高效率的電池管理,提高后備直流電源系統的穩定性和可靠性,同時可保障鉛酸充電機充電蓄電池的使用壽命、避免安全隱患及經濟損失,減少人工成本。
定期對閥控式密封鉛酸充電機充電蓄電池(以下簡稱充電機充電蓄電池)組進行容量測試,有利于掌握充電機充電蓄電池組的工況,避免故障隱患的長期存在,保證供電系統運行中的可靠性。
根據聯通動力維護規程,充電機充電蓄電池組使用三年必須進行容量試驗,使用六年后每年進行一次容量試驗,準確地監測電池組的容量,確保在市電和直流電源設備出現故障時,充電機充電蓄電池組能夠保障通信設備續航的時間。
1 充電機充電蓄電池組的容量測試方法
充電機充電蓄電池組容量的測量,視情況不同可用下列三種方法進行測量。
(1)離線式測量法
在采用離線式測量法進行充電機充電蓄電池的容量試驗時,應按下述步驟進行:
?、賹⒊錆M電后的充電機充電蓄電池組脫離供電系統靜置1～24h,在環境溫度為25±5℃的條件下開始充電機放電;
②充電機放電開始前應測量充電機充電蓄電池的端電壓,充電機放電期間應測記充電機充電蓄電池的充電機放電電流、時間及環境溫度,充電機放電電流波動不得超過規定值的1%;
?、鄢潆姍C放電期間應測量充電機充電蓄電池的端電壓及室溫,測量時間間隔為:10h率充電機放電30min、3h率充電機放電20min、1h率充電機放電5min。在充電機放電末期要隨時測量,以便準確地確定達到充電機放電終止電壓的時間;
?、艹潆姍C放電電流乘以充電機放電時間即為充電機充電蓄電池組的容量。充電機充電蓄電池按10h率充電機放電時,如果溫度不是25℃時,則應將實際測量的容量按下式換算成25℃時的容量Ce:
(1)式中,t——充電機放電時的環境溫度(℃);
K——溫度系數;
10h率充電機放電時,K=0.006/℃
3h率充電機放電時,K=0.008/℃
1h率充電機放電時,K=0.01/℃
Cr——試驗溫度下的電池容量。
⑤充電機放電結束后,要對充電機充電蓄電池組充電,充入電量應是放出電量的1.2倍。
充電機充電蓄電池組離線充電機放電原理圖如圖1所示。
利用離線式測量方法進行充電機充電電池組容量試驗時,應注意以下幾個問題:
?、匐姵亟M離線式容量試驗,測試數據準確,電池組實際容量計算方便,便于了解電池組實際容量。但當該供電系統只剩下一組電池后備,系統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,該電池組對通信設備充電機放電保障風險系數增大。所以用此種方法對電池組進行容量試驗時,要求柴油發電機組必須處于最佳工況狀態,以確保發電機組、開關直流電源等設備正常運行;
?、诔潆姍C放電結束后的電池組充滿電后再并入供電系統,此時與在線電池組間存在電壓差,若操作不當將引起開關直流電源對并入的電池組進行大電流充充電機放電,產生火花,易發生安全事故。為了解決打火花問題,必須調整開關直流電源輸出電壓,然后與充滿電的電池組電壓相等后進行并聯浮充;
?、劾秒x線式測量方法時,充電機放電方式操作難度偏大,既要脫離電池組的正極直流電源線,又要脫離電池組的負極保險,尤其是脫離電池組負極保險時,需要特別小心并做好絕緣處理。操作不當引起負極短路,將造成系統供電中斷和人身安全事故的發生。同時充電機放電電池組通過假負載以熱量形式消耗,浪費電能,增大了機房空調的制冷時間,影響機房設備運行環境,需要維護人員時刻守護,以免假負載高溫引發通信供電設備故障;
④關直流電源直流輸出電壓為46.4V,使電池組直接對實際負荷進行充電機放電至開關直流電源直流輸出電壓保護設置值。由于電池組充電機放電電流大,應按直流電源維護規程考慮48V供電范圍40～57V的最低供電低壓門限,電池組至設備供電回路全程壓降3.2V及電池單體充電機放電最低1.8V的要求考慮。為了保證供電系統安全,所以帶實際負載的充電機放電電流和充電機放電時間掌控較困難,對電池組容量評估不夠準確,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到試驗的預期效果。
(2)在線式測量法
在利用在線式測量法進行充電機充電蓄電池組容量試驗時,應按如下步驟進行:
?、僭诠╇娤到y中,關掉整流器或降低整流器輸出電壓后,由充電機充電蓄電池組充電機放電供給通信設備,在充電機充電蓄電池組充電機放電中找出充電機充電蓄電池組中電壓最低、容量最差的一只電池來作為容量試驗的對象;
②恢復整流器至正常工作狀態,對充電機充電蓄電池組進行充電,等充電機充電蓄電池組充滿電后穩定1h以上;
?、蹖Β僦谐潆姍C放電時找出最差的那只電池進行10h率充電機放電試驗。充電機放電前后要測記該只電池的端電壓、溫度、充電機放電時間和室溫。以后每隔30min測記一次,充電機放電快到終止電壓時,應隨時測記,以便準確記錄充電機放電時間;
?、艹潆姍C放電時間乘以充電機放電電流即為該只電池的容量。當室溫不是25℃時,應按式(1)換算成25℃時的容量;
?、莩潆姍C放電試驗結束后,用充電機對該只電池進行充電,恢復其容量;
⑥根據測記的數據繪制充電機放電曲線。
在利用在線式測量法進行充電機充電蓄電池組容量試驗時,應注意以下幾個問題:
?、偃魞山M電池的單體電池都有失容、落后等質量問題,其充電機放電至輸出保護值的時間,不易被維護人員及時發現,此時可能后備電池組容量所剩無幾,因此該充電機放電方式比離線充電機放電方式不安全系數更大。同時由于充電機放電深度有限,對電池組的測試的目的無法達到,關鍵是在全容量充電機放電的實踐中會經常發現有些單體電池在充電機放電前期電壓正常,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,由于充電機放電深度不夠而沒有被及時發現,此充電機放電方式只能大致評估電池組容量,而無法準確檢測具體充電機放電多長時間。同時兩組電池組間充電機放電電流不完全均衡,各電池組將根據自身情況自然分攤系統的負載電流。落后電池組內阻大、充電機放電電流小,而正常電池組內阻小、充電機放電電流大。這就造成某些落后電池因充電機放電電流不夠大而無法暴露出來,達不到進行電池組充電機放電性能質量檢測目的。
(3)單組全在線式節能容量試驗很明顯,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,一年內無法保證對所有的充電機充電蓄電池組進行一輪充電機放電試驗,亦即充電機充電蓄電池組得不到及時有效的維護;
?這兩種測量方法追求的是結果而不是過程,所以當發現該組充電機充電蓄電池有質量問題時,可能問題在很早以前就存在了。也就是說,即使非常嚴格地按照維護規程進行著維護,仍然無法確保在用充電機充電蓄電池的性能良好、保證通信網絡的順暢運行;
?離線全容量充電機放電測試存在嚴重的安全隱患問題,操作不當會對系統供電安全造成嚴重的影響,同時嚴重浪費能源,而且充電機放電結束后被測充電機充電蓄電池組和系統存在巨大的壓差,回接系統相當困難且危險。而一些單位采用定期的在線式充電機放電測試,雖然這種在線式充電機放電測試相比離線充電機放電測試,操作較簡單,也沒有電能的浪費和電池組回接困難的問題。但是在線式充電機放電測試是將系統電壓降低,系統上所有的電池組同時對實際負載充電機放電,如果市電停了,系統上就沒有滿容量的電池組,同樣存在巨大的安全隱患問題。而在線式充電機放電測試的充電機放電深度不夠,且充電機放電不恒流,不能準確的測試出充電機充電蓄電池的剩余容量,達不到檢測充電機充電蓄電池性能的目的,給系統維護留下安全隱患。
解決這個難題的方法在于采用安全節能的“充電機充電蓄電池組全在線容量試驗”。單組全在線式節能容量試驗可以避免上述缺陷,具有良好的實用價值。全在線式節能容量試驗的原理圖如圖2所示。
所謂“充電機充電蓄電池組全在線容量試驗”,是指在被測電池組和通信設備工作直流電源之間串聯一套“電池組全在線充電機放電安全節能維護系統FBI”,讓被測電池組相對另一組處于浮充狀態的電池組具有略高電位的趨勢,并通過FBI系統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載設備進行供電,隨著被測電池組電壓的下降,FBI系統自動實時升壓補償,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在線供電,當被測電池組以恒定電流或恒定功率在線充電機放電到預先設定的截止電壓后,FBI系統自動引導整流器在線對被測電池組充電恢復,隨著被測電池組電壓的上升,FBI系統自動隨時降壓補償,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完成。在此被測電池組全在線充電機放電和充電過程中,另一組電池始終保持浮充狀態。采用FBI,徹底改變了以往充電機充電蓄電池充電機放電容量測試模式,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能容量試驗的充充電機放電過程和全在線充、充電機放電設備串接電池組的操作過程。
?、偃诰€充、充電機放電過程
被測電池組的正極與全在線(充)充電機放電設備串聯,不需要調整開關直流電源的浮充電壓值,使被測電池組所在支路的電壓略高出開關直流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荷進行充電機放電,充電機放電過程中被測電池組電壓隨著充電機放電時間的變化而逐漸下降,通過全在線(充)充電機放電設備進行自動電壓補償調整,保證被測電池組始終保持恒定電流或恒定的功率進行充電機放電,當電池組充電機放電終止即電壓、容量、時間和單體電池電壓達到預期所設置的充電機放電門限值時,充電機放電試驗自動結束。自動轉入對被測電池組的全在線充電恢復過程,以消除兩組電池之間存在的電壓差,并引導在線開關直流電源輸出,經過充電、等電位控制保護電路自動對被測充電機放電后的電池組進行限流充電,自動完成在線等電位連接,恢復系統的正常連接后,全在線充、充電機放電設備退出,結束充電機充電蓄電池組充電恢復等電位連接過程。實現了該電池組在線充、充電機放電試驗目的和了解該電池組的續航能力。
②全在線充、充電機放電設備串接電池組的操作過程拆、接線只在電池組正極,無須拆電池組負極,只在負極接一根充電機放電設備的工作直流電源線,操作過程不存在短路危險,充、充電機放電全部在線自動運行。充、充電機放電電流保持恒定。測試記錄自動進行。被測電池組按0.1C10率直接對負載充電機放電和對電池組充電,無須看守,大大減輕工作強度,提高工作效率。
圖5為某通信機房-48V直流供電系統3000Ah電池(兩組)的全在線式節能容量試驗現場。
圖5中,有兩組-48直流供電系統3000Ah電池,每組用全在線設備單獨對負載充電機放電試驗做具體操作。首先將6個*監測模塊連接到該組電池各單體上(每個*監測模塊可以監測4只單體電池電壓),全在線設備控制系統上設定4個充電機放電截止門限:單體電池截止電壓門限1.8V;電池組截止電壓門限43.2V;充電機放電容量門限3000Ah;充電機放電時間門限10h(任一門限達到,充電機放電都將停止)。設定充電機放電電流為300A,核對所有設置參數正確后進行充電機放電。用直流鉗形表檢測該組電池的充電機放電電流由0A逐步上升到300A,保持300A恒定,該組電池電壓如平常充電機放電一樣逐步下降,串接全在線設備的電壓逐步上升,整個充電機放電支路在線電壓保持比系統浮充電壓54V高0.3～0.6V即54.4V以上。檢測另一電池組沒有充電機放電,仍然保持浮充54V工作狀態。此時開關直流電源的輸出電壓保持在54V,而開關直流電源模塊輸出電流總和下降了300A。由于充電機放電方式是對實際負荷用電,充電機放電過程中全在線設備沒有任何發熱現象,安全可靠。當充電機放電時間達到10h,到達設定某個參數的門限值時,全在線設備停止充電機放電。自動轉入充電程序,直到兩組電池等電位后,充電結束,拆下全在線充、充電機放電設備,供電系統運行正常。
在線設備串聯單組電池的充電機放電節能方式,是將電池組中的電能直接釋放到實際負載中,不像離線充電機放電是將電能以熱量形式消耗,所以串聯在線設備對電池組充電機放電方法具有節能效果。
傳統離線充電機放電的能源浪費Q=電池組電壓U(V)×電池組充電機放電電流I(A)×充電機放電時間t(h)×充電機放電電池組數N;如容量為3000Ah兩組充電機充電蓄電池,充電機放電電流為300A,按10h充電機放電的能耗估算為:
Q=U×I×t×2=48V×300A×10h×2=288kWh
全在線設備的節能總電量P=離線充電機放電的能耗Q+開關直流電源少輸出的能量W
開關直流電源少輸出的能量
W=開關直流電源輸出電壓×充電機放電電流×充電機放電時間×電池組數=54V×300A×10h×2=324kWh
則P=288+324=612(kWh)
按照電費0.8元/kWh計算,一個-48直流供電系統中的兩組3000Ah電池容量試驗可以節約電費約489.6元。
2 充電機充電蓄電池組容量測試一般周期
①每年應做一次核對性充電機放電試驗(對于UPS使用的密封充電機充電蓄電池,宜每季一次),放出額定容量的30%～40%;
②對于2V單體的電池,每三年應做一次容量試驗,使用六年后應每年一次。對于UPS使用的6V及12V單體的電池應每年一次;
?、?48V系統的充電機充電蓄電池組,充電機放電電流不得大于0.25C10。
3 結束語
上述三種充電機充電蓄電池的容量試驗方法,是日常維護中常用的方法,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,備用發電機組應處于良好狀態。
有條件的,應采用專業充電機充電蓄電池容量測試設備進行充電機放電、記錄、分析,以提高測試精度和工作效率。
作者簡介
武亞波,聯通集團廊坊市分公司網絡維護中心直流電源主管,高級工程師,本刊編委。
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