中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的核心,UPS等電源系統(tǒng)是業(yè)務(wù)連續(xù)性的最基礎(chǔ)保障,而電池系統(tǒng)又是電源系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán),電池系統(tǒng)的安全可控不僅是電源系統(tǒng)的最基本要求,也是數(shù)據(jù)中心安全的核心之一。
作為能量存儲(chǔ)器件,電池(尤其是鋰電)能量高,內(nèi)阻低,短路危害大,因此電池系統(tǒng)必須配備完善的保護(hù)措施以規(guī)避過(guò)載或短路可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。如何為電池系統(tǒng)配置適合的電氣保護(hù)系統(tǒng)將是本文討論的重點(diǎn)。
一、電池的電氣保護(hù)系統(tǒng)概述
數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)通常包含輸入輸出配電柜、電源本體(如UPS和各種直流電源)、電池開(kāi)關(guān)柜、電池組等。無(wú)輪是鉛酸蓄電池,還是當(dāng)前勢(shì)頭迅猛的鋰電池,完善配置電池組的外部保護(hù)系統(tǒng)都極為關(guān)鍵。
當(dāng)前鋰電池系統(tǒng)通常以包含BMS模塊的整柜形式出現(xiàn),BMS模塊具有一定的電池監(jiān)控與管理能力并自帶斷路器,相對(duì)鉛酸蓄電池而言,其感知柜內(nèi)電池的異常能力及單組電池的保護(hù)功能都已經(jīng)被配置,但其多組并聯(lián)時(shí)外部系統(tǒng)的保護(hù)方式同樣會(huì)影響系統(tǒng)的完整性,不合理的配置依然可能帶來(lái)嚴(yán)重的安全后果。而鉛酸蓄電池系統(tǒng)為多個(gè)單體電池的串聯(lián),內(nèi)部基本無(wú)保護(hù)措施,完全依賴于外部的監(jiān)控或保護(hù)裝置來(lái)維系其運(yùn)行安全。因此為了完整地闡述電池系統(tǒng)的電氣保護(hù),本文將著重分析鉛酸蓄電池的電氣保護(hù)設(shè)計(jì),其配置原則同樣可以融合到鋰電池系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)本體(本文以UPS為例)和蓄電池間的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1(單組蓄電池)和圖2(多組蓄電池)所示:
無(wú)論是鋰電池柜還是鉛酸蓄電池組,在多組并聯(lián)時(shí),組間通常都無(wú)均衡措施。若并聯(lián)組數(shù)過(guò)多就會(huì)導(dǎo)致電池組間出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象,從而影響蓄電池的性能及運(yùn)行壽命。實(shí)際應(yīng)用中鉛酸蓄電池的并聯(lián)組數(shù)不宜超過(guò)四組,GB51194或T/CECS486等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此也有明確要求。受制于投資、場(chǎng)地空間的限制和已經(jīng)配置了柴油發(fā)電機(jī)組,數(shù)據(jù)中心常見(jiàn)的電池配置為滿載后備時(shí)間10～15分鐘,對(duì)于數(shù)據(jù)中心普遍選擇的500、600KVAUPS而言,基本就是配備3～4組200多安時(shí)的電池組并聯(lián)(每組約40～50節(jié)12V電池串聯(lián))。3～4組的蓄電池組并聯(lián),一旦出現(xiàn)短路等極端情況破壞性會(huì)很強(qiáng)，這就要求UPS蓄電池系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)一定要做到嚴(yán)謹(jǐn)和完善。
實(shí)現(xiàn)蓄電池保護(hù)的器件主要有直流斷路器和熔斷器,部分高端UPS還自帶了電池接觸器。斷路器(Circuit Breaker)是線路保護(hù)中最為常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)器件,它能接通、分?jǐn)嗪统休d額定電流;當(dāng)供電回路出現(xiàn)過(guò)載或短路等故障電流時(shí),能依據(jù)其保護(hù)特性在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成分閘動(dòng)作以斷開(kāi)回路,實(shí)現(xiàn)故障電流的截止。斷路器的容量配置既要確保能承載額定負(fù)載的正常運(yùn)行,又要確保故障電流出現(xiàn)時(shí)能提供及時(shí)的分?jǐn)啾Ｗo(hù),即分?jǐn)喙收想娏?。為?斷路器需具備如下的基本條件:
1.故障電流低于斷路器的極限短路分?jǐn)嗄芰?若超過(guò)則斷路器無(wú)法完成有效分?jǐn)?故障電流將一直持續(xù),斷路器可能會(huì)出現(xiàn)爆炸等極端現(xiàn)象,極易釀成更重大的事故。
2.線路實(shí)際電壓低于斷路器的額定工作電壓,若超過(guò)則斷路器無(wú)法完成有效分?jǐn)?也有可能出現(xiàn)爆炸等極端現(xiàn)象。
3.應(yīng)用于交流環(huán)境和直流環(huán)境的斷路器存在較大區(qū)別。交流電的正弦波存在過(guò)零點(diǎn),滅弧相對(duì)會(huì)更容易;直流電沒(méi)有過(guò)零點(diǎn),滅弧會(huì)更困難。蓄電池回路為直流電路,因此斷路器必須選擇符合直流應(yīng)用條件的產(chǎn)品。
熔斷器(Fuse)也是一種線路保護(hù)開(kāi)關(guān)器件,當(dāng)電流超過(guò)規(guī)定值一定時(shí)間后,以自身的熱量使熔體熔化從而完成電路分?jǐn)?。熔斷器具有良好的“安秒特性?大電流出現(xiàn)時(shí)按照I2t的反時(shí)限保護(hù)方式快速完成熔斷,在不超限的前提下,電流越大則熔斷時(shí)間越短。熔斷器的性能與精度等級(jí)相關(guān),精度等級(jí)高的熔斷器保護(hù)會(huì)更加精準(zhǔn)。熔斷器的配置同樣需要關(guān)注其額定電壓、額定電流、極限短路分?jǐn)嗄芰Φ?。蓄電池采用熔斷器保護(hù)時(shí)必須選擇直流熔斷器,且額定電壓需高于線路直流最高工作電壓。對(duì)于UPS系統(tǒng)而言電池熔斷器通常選用直流750V規(guī)格;如果電池配置節(jié)數(shù)在40節(jié)(12V電池)以下,也可采用直流600V的電壓規(guī)格。
UPS電源系統(tǒng)在蓄電池出現(xiàn)短路時(shí)可能會(huì)造成重大事故,因此關(guān)注蓄電池的短路成因,分析短路電流的構(gòu)成,從而設(shè)置有效的預(yù)防措施就變得極為重要。下文將對(duì)UPS配套電池組在不同位置出現(xiàn)短路及對(duì)應(yīng)保護(hù)措施做逐一分析。為了方便描述及理解,將電池分組開(kāi)關(guān)作為電池組“內(nèi)部”或“外部”的分界線,開(kāi)關(guān)下端至整個(gè)蓄電池組的所有短路情況稱作“電池組內(nèi)部短路”;開(kāi)關(guān)上端至UPS的所有短路情況稱作“電池組外部短路”。需要說(shuō)明的是,本文旨在分析電池出現(xiàn)大短路電流后的保護(hù)機(jī)制,未對(duì)電池單體內(nèi)部短路原因及預(yù)防措施做過(guò)多闡述。
二、電池組內(nèi)部短路的情況分析
2.1 單節(jié)電池內(nèi)部短路
單節(jié)電池內(nèi)部短路主要表現(xiàn)為局部微短路,對(duì)外僅呈現(xiàn)出該單節(jié)電池性能下降,對(duì)UPS系統(tǒng)的供電影響不大。短路電流僅局限在單節(jié)電池內(nèi)部,不會(huì)流過(guò)外部電池開(kāi)關(guān)。單節(jié)電池性能下降后所引起的整組電池電壓降低并不明顯,多組電池情況下由于電池自身內(nèi)阻的限制,并不會(huì)出現(xiàn)其余電池組為本組電池長(zhǎng)時(shí)間大電流充電的情況。
2.2 部分（或全部）電池串出現(xiàn)短路
當(dāng)一節(jié)或多節(jié)電池成串被短路時(shí)(如電池漏液導(dǎo)致),短路電流將會(huì)在被短路的電池串中流動(dòng),該短路電流不會(huì)流過(guò)外部保護(hù)開(kāi)關(guān),因此沒(méi)有裝置會(huì)主動(dòng)消除該短路電流。當(dāng)持續(xù)短路導(dǎo)致電池極柱熔斷后,電池組將被整體斷開(kāi),短路電流消失。部分電池串短路示意圖如圖3所示。
蓄電池組內(nèi)部出現(xiàn)短路時(shí),外部的電池開(kāi)關(guān)不會(huì)流過(guò)電池短路電流,也就無(wú)法提供保護(hù)。對(duì)于鉛酸蓄電池而言,配置電池監(jiān)控系統(tǒng)非常重要,通過(guò)對(duì)單節(jié)電池的電壓、電流、內(nèi)阻、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),能及時(shí)獲知電池可能出現(xiàn)的異常,從而防患于未然。可喜的是:當(dāng)前電池監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)基本成為了數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。
電池成串出現(xiàn)短路時(shí),短路電流大,風(fēng)險(xiǎn)高,UPS應(yīng)用中必須被重點(diǎn)關(guān)注。當(dāng)僅配置單組電池時(shí),UPS和電池串間僅一個(gè)保護(hù)開(kāi)關(guān),系統(tǒng)保護(hù)關(guān)系簡(jiǎn)單。多組電池情況下的相互制約會(huì)使得保護(hù)關(guān)系變得復(fù)雜。下文將以四組電池并聯(lián)運(yùn)行為例,分析不同短路情況下的影響及保護(hù)機(jī)制。
業(yè)內(nèi)經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到這樣的說(shuō)法——在配置多組蓄電池的情況下,應(yīng)配置電池主開(kāi)關(guān)和分組開(kāi)關(guān),且主開(kāi)關(guān)和分組開(kāi)關(guān)間需具備選擇性保護(hù)關(guān)系,即分路出現(xiàn)短路時(shí)僅分組開(kāi)關(guān)跳閘,避免主開(kāi)關(guān)“越級(jí)跳閘”。電池分路出現(xiàn)短路現(xiàn)象時(shí)是否真的可能“越級(jí)跳閘”呢?
圖4模擬了多個(gè)電池成串被短路(短路點(diǎn)1)或電池組被整體短路(短路點(diǎn)2)時(shí)的情況。根據(jù)最短路徑原則,短路電流僅會(huì)在電池組1內(nèi)部流動(dòng),并不會(huì)流過(guò)外部的分組開(kāi)關(guān),也不會(huì)流過(guò)總開(kāi)關(guān),且總開(kāi)關(guān)或分組開(kāi)關(guān)是否斷開(kāi)并不會(huì)改變電池組正在經(jīng)受大短路電流的現(xiàn)實(shí)。此時(shí)電池組1的蓄電池短路電流沒(méi)有任何裝置可以提供保護(hù),直至電池極柱或銅排熔斷回路被斷開(kāi)短路情況才會(huì)消失,該時(shí)間通常在1s~5s左右,且隨著電池的逐步老化,熔斷時(shí)間會(huì)逐步變長(zhǎng)。
正常運(yùn)行過(guò)程中各電池組并聯(lián)運(yùn)行,各分組開(kāi)關(guān)均處于閉合狀態(tài),當(dāng)電池組1在短路標(biāo)記點(diǎn)1出現(xiàn)短路時(shí),電池組1的整體電壓降低,壓差的出現(xiàn)導(dǎo)致電池組2、3、4會(huì)向電池組1放電。電池組1分組開(kāi)關(guān)上流過(guò)的放電電流將會(huì)是其余三個(gè)分組開(kāi)關(guān)的3倍。隨著被短路電池串的節(jié)數(shù)增加,壓差會(huì)逐步增大,放電電流會(huì)逐步提高,到短路點(diǎn)2的整組短路時(shí),電池組2、3、4也會(huì)被短路,此時(shí)流過(guò)電池組1分組開(kāi)關(guān)的放電電流(實(shí)際為短路電流)也將達(dá)到最大(如圖5所示)。表1給出了12V-200AH蓄電池在配置4組,每組40節(jié)時(shí),不同的電池短路節(jié)數(shù)對(duì)應(yīng)的參考放電電流(考慮接觸電阻及線纜阻抗,電池內(nèi)阻按照3mΩ核算)。
當(dāng)電池組1整組短路時(shí),其余的各組電池也都被短路，從表1可見(jiàn)此時(shí)的故障電流已達(dá)12000安培，短路電流最大，危害也就最大，下文將著重討論該種情況下的保護(hù)機(jī)制。
當(dāng)電池組1出現(xiàn)整體短路時(shí),分組開(kāi)關(guān)1流過(guò)的短路電流并不來(lái)自對(duì)應(yīng)的電池組1,而是來(lái)自于其它電池組,分組開(kāi)關(guān)1經(jīng)受的短路電流是另三個(gè)分組開(kāi)關(guān)的3倍。如果分組開(kāi)關(guān)的脫扣特性合理,電流越大動(dòng)作時(shí)間越短,3倍短路電流情況下能實(shí)現(xiàn)先保護(hù)動(dòng)作,分組開(kāi)關(guān)1提前分?jǐn)嗪髮⒍搪伏c(diǎn)隔離,2、3、4電池組的短路情況消失,可繼續(xù)為UPS提供后備;如果分組開(kāi)關(guān)保護(hù)選擇性不好,則可能出現(xiàn)所有分組開(kāi)關(guān)同時(shí)分?jǐn)嗟默F(xiàn)象,此時(shí)單組電池短路將導(dǎo)致所有電池組脫離UPS系統(tǒng),此現(xiàn)象與“越級(jí)跳閘”結(jié)果相同,但卻并不是越級(jí)跳閘。
以500KVAUPS配置4組12V-200Ah蓄電池為例,選擇某國(guó)際知名品牌的直流斷路器,主開(kāi)關(guān)1200A,分組開(kāi)關(guān)400A,保護(hù)曲線如圖6所示。根據(jù)前述,當(dāng)電池組1出現(xiàn)整組短路時(shí),分組開(kāi)關(guān)1上流過(guò)的短路電流將達(dá)12000A,此時(shí)的短路電流達(dá)到了開(kāi)關(guān)額定運(yùn)行電流(Ir)的30倍,從圖6可以看出,斷路器早已進(jìn)入了瞬動(dòng)范圍,脫扣時(shí)間<20ms。而對(duì)于2、3、4分組開(kāi)關(guān)而言,4000A短路電流也達(dá)到了額定運(yùn)行電流的10倍,也早已進(jìn)入了瞬動(dòng)范圍,脫扣時(shí)間<20ms。同樣的20ms內(nèi)都必須跳閘,誰(shuí)先動(dòng)作很難預(yù)判,所有開(kāi)關(guān)可能出現(xiàn)同時(shí)跳閘。
即便分路采用了直流斷路器,且額定電壓也符合要求,但因?yàn)殚_(kāi)關(guān)的短路保護(hù)曲線范圍窄,保護(hù)起始點(diǎn)低(如圖6的直流斷路器在2.5倍即進(jìn)入短路保護(hù)),無(wú)法拉開(kāi)不同短路電流對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間差距,分路出現(xiàn)短路時(shí)所有分組開(kāi)關(guān)可能都跳閘,從而導(dǎo)致所有電池組脫離UPS系統(tǒng),UPS失去后備能力。為了降低上述風(fēng)險(xiǎn),分路直流斷路器應(yīng)盡量選擇保護(hù)曲線范圍寬,且保護(hù)起始點(diǎn)相對(duì)高的器件,以盡可能加大動(dòng)作間隔時(shí)間,促使短路分路所對(duì)應(yīng)的斷路器更先保護(hù)跳閘,實(shí)現(xiàn)短路點(diǎn)隔離。
對(duì)于分組開(kāi)關(guān)而言,其實(shí)還有一個(gè)更好的選擇——直流熔斷器。直流熔斷器的反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作時(shí)機(jī)清晰,電流越大分?jǐn)嘣娇?。以FLZ系列直流熔斷器為例,保護(hù)曲線如圖7所示。4000A對(duì)應(yīng)的分?jǐn)鄷r(shí)間約為1.5ms,而12000A對(duì)應(yīng)的分?jǐn)鄷r(shí)間會(huì)縮短到0.15ms,分?jǐn)鄷r(shí)間相差10倍。足夠的時(shí)間差促使短路電池組對(duì)應(yīng)熔斷器會(huì)先斷開(kāi),其余分路電池組短路電流將隨之自動(dòng)消失,不會(huì)出現(xiàn)所有電池退出系統(tǒng)的情況。
采用熔斷器方案需要考慮分組維護(hù)的便利性,建議采用可插拔熔芯帶底座的熔斷器,或者分路采用負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)加熔斷器方式。負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)加熔斷器方式保護(hù)可靠,也利于維護(hù)。
圖4的短路情況危害極大,本組的短路電流不會(huì)流過(guò)對(duì)應(yīng)的外部電池保護(hù)開(kāi)關(guān),直至電池內(nèi)部發(fā)生熔斷才能斷開(kāi)回路。正如前面提及的,設(shè)置電池監(jiān)控系統(tǒng)非常有必要,只有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單節(jié)電池的運(yùn)行狀況,才能及時(shí)獲知電池可能出現(xiàn)的異常,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,杜絕隱患。
事實(shí)上,單組電池短路也會(huì)導(dǎo)致UPS充電器短路。如果UPS正處于放電狀態(tài),短路發(fā)生時(shí)UPS系統(tǒng)將轉(zhuǎn)旁路以維系負(fù)載的繼續(xù)供電;如果UPS正處于充電狀態(tài),則保護(hù)機(jī)制將與UPS機(jī)型及設(shè)計(jì)理念相關(guān)。在充電情況下發(fā)生上述短路時(shí),充電器的短路電流同時(shí)流經(jīng)主開(kāi)關(guān)和分組開(kāi)關(guān),路徑如圖8所示。如果UPS充電器自身不具備硬件限流措施(如工頻機(jī),需要在市電過(guò)零點(diǎn)時(shí)關(guān)斷),瞬時(shí)短路電流會(huì)很大,主開(kāi)關(guān)和分組開(kāi)關(guān)之間就需要具備選擇性配合關(guān)系,分組開(kāi)關(guān)要先于主開(kāi)關(guān)分?jǐn)?否則主開(kāi)關(guān)保護(hù)斷開(kāi)會(huì)導(dǎo)致所有電池脫離UPS系統(tǒng),出現(xiàn)真正的“越級(jí)跳閘”。當(dāng)然,如果短路電流足夠大,即便考慮了充足的選擇性,主開(kāi)關(guān)也難以避免保護(hù)斷開(kāi)。
與前述情況不同,有些UPS充電器具備完善的硬件限流措施,上述短路電流出現(xiàn)時(shí)充電器會(huì)將回路電流鉗定在額定最大電流(最低電池電壓下,額定功率對(duì)應(yīng)的最大電流值),不會(huì)出現(xiàn)超出范圍的大電流,開(kāi)關(guān)就不會(huì)執(zhí)行分?jǐn)鄤?dòng)作,也就不會(huì)出現(xiàn)“越級(jí)跳閘”。如果短路情況持續(xù)存在,經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的甄別期,系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉充電器。
值得一提的是,現(xiàn)在某些UPS的輸入市電整流與電池放電回路共用,其間采用機(jī)械或電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換,這樣的設(shè)計(jì)盡管能省去電池放電變換器,降低UPS的制造成本,但是在某些市電斷電情況下,可能導(dǎo)致較長(zhǎng)的切換間隙,從而導(dǎo)致UPS從市電雙變換模式轉(zhuǎn)為電池逆變放電模式時(shí),出現(xiàn)較大的沖擊電流,該電流沖擊可能導(dǎo)致電池開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作,從而引起負(fù)載掉電。某品牌UPS在云南某金融用戶機(jī)房就出現(xiàn)過(guò)該種類(lèi)似供電事故——因市電斷電,UPS轉(zhuǎn)電池時(shí)沖擊電流導(dǎo)致電池開(kāi)關(guān)跳閘,從而引起負(fù)載供電中斷,需要引起警示。所以UPS充放電器的獨(dú)立設(shè)計(jì)并具備完善的限流措施是非常重要的。數(shù)據(jù)中心UPS所擔(dān)負(fù)的責(zé)任重大,只有確保了UPS技術(shù)的先進(jìn)性和保護(hù)機(jī)制的完善性,才能保證數(shù)據(jù)中心的持續(xù)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。
其次,業(yè)內(nèi)有部分廠商給用戶推薦的UPS電池開(kāi)關(guān)柜配置方案是:“主開(kāi)關(guān)采用直流斷路器、分組開(kāi)關(guān)采用負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)”。負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)不具備保護(hù)功能,當(dāng)單個(gè)電池組出現(xiàn)短路時(shí),并聯(lián)運(yùn)行的各電池組因不具備保護(hù)措施將持續(xù)被短路,短路電流不僅流過(guò)電池內(nèi)部,還會(huì)波及到電池組外部的開(kāi)關(guān)和線纜,后果也是不堪設(shè)想的。不論是單組還是多組蓄電池,離電池最近的開(kāi)關(guān)必須具備保護(hù)功能!
三、電池組外部短路的情況分析
3.1 短路出現(xiàn)在分組開(kāi)關(guān)與主開(kāi)關(guān)之間
圖9展示了在多組電池情況下,分組開(kāi)圖8單個(gè)電池組短路時(shí)UPS充電器的短路分析關(guān)與主開(kāi)關(guān)之間出現(xiàn)短路的情況。各電池組均被短路,短路電流流過(guò)各分組開(kāi)關(guān)。不論開(kāi)關(guān)采用何種方式,也不論保護(hù)特性如何,只要對(duì)應(yīng)電池分組開(kāi)關(guān)具備保護(hù)功能則遲早會(huì)斷開(kāi),電池整體脫離UPS系統(tǒng)。同樣的情況,如果分組開(kāi)關(guān)采用的是不具備保護(hù)功能的器件,如負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān),則各電池組的短路將沒(méi)有任何的保護(hù)措施,事態(tài)將快速惡化。
與此同時(shí)UPS充電器也被短路,不具備限流能力或限流功能不足的UPS機(jī)型其主開(kāi)關(guān)會(huì)因大電流的存在而快速保護(hù)斷開(kāi),但主開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)已經(jīng)不會(huì)產(chǎn)生額外的影響,所有電池已經(jīng)因持續(xù)短路而脫離UPS系統(tǒng)。
3.2 短路出現(xiàn)在UPS直流輸出側(cè)
如果短路點(diǎn)出現(xiàn)在UPS的直流輸出側(cè)(圖10所示),如UPS電池連接端口至電池組總開(kāi)關(guān)間的線纜出現(xiàn)短路,分組開(kāi)關(guān)和主開(kāi)關(guān)均流過(guò)蓄電池短路電流,主開(kāi)關(guān)或分組開(kāi)關(guān)誰(shuí)先分?jǐn)嘁呀?jīng)沒(méi)有實(shí)際意義了,盡快保護(hù)將短路點(diǎn)隔離是關(guān)鍵。
該短路也會(huì)導(dǎo)致UPS充電器被持續(xù)硬短路,此時(shí)對(duì)UPS充電器的限流能力或保護(hù)能力就是極大的挑戰(zhàn)。如果UPS自身的硬件限流能力不足,或者UPS內(nèi)部保護(hù)機(jī)制不夠完善,持續(xù)的大短路電流可能導(dǎo)致UPS出現(xiàn)炸機(jī)等極端現(xiàn)象。
四、蓄電池保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則
為UPS蓄電池系統(tǒng)制定安全可靠的保護(hù)策略是數(shù)據(jù)中心建設(shè)之初就必須重視的，基于前面的分析，數(shù)據(jù)中心電池系統(tǒng)保護(hù)的設(shè)計(jì)需遵循下列原則:
1.多組蓄電池情況下分組開(kāi)關(guān)必須采用直流熔斷器或直流斷路器。直流熔斷器具有良好的反時(shí)限保護(hù)特性,具有更好的選擇性,應(yīng)該作為優(yōu)選方案。采用熔斷器方案需要考慮維護(hù)的便利性,若不能實(shí)現(xiàn)熔芯的可插拔維護(hù)則分路需要加裝負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)。
2.若分組開(kāi)關(guān)采用直流斷路器,選型容量不能過(guò)大,過(guò)大可能導(dǎo)致保護(hù)不及時(shí)致使電池?fù)p壞;也需要考慮斷路器間的保護(hù)配合關(guān)系——比如分組斷路器全部采用了定時(shí)限方案,或者斷路器脫扣曲線的短路保護(hù)起始點(diǎn)不夠高,則可能因短路電流足夠大導(dǎo)致單組短路時(shí)所有分組開(kāi)關(guān)跳閘.
3.分組開(kāi)關(guān)不能采用隔離開(kāi)關(guān),否則單組電池短路或主開(kāi)關(guān)與分組開(kāi)關(guān)之間出現(xiàn)短路時(shí)，所有電池均被短路卻沒(méi)有保護(hù)措施。
UPS充電器良好的限流能力有助于規(guī)避電池短路導(dǎo)致負(fù)載宕機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于具備良好限流能力的UPS機(jī)型,多組電池情況下主開(kāi)關(guān)可以采用負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān);對(duì)于限流能力不足的UPS機(jī)型，主開(kāi)關(guān)只能采用直流斷路器或直流熔斷器。主開(kāi)關(guān)配置容量不宜太小，盡量與UPS容量匹配。
主開(kāi)關(guān)作為短路保護(hù)開(kāi)關(guān)和應(yīng)急時(shí)的一次性切斷操作開(kāi)關(guān),由于電壓高、電流大,同時(shí)性、安全性要求高，不宜采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)擴(kuò)容的簡(jiǎn)配方式。
保護(hù)開(kāi)關(guān)應(yīng)盡量靠近電池側(cè),以實(shí)現(xiàn)完整的線路保護(hù)。
保護(hù)開(kāi)關(guān)的額定工作電壓需高于線路實(shí)際運(yùn)行電壓,否則電壓應(yīng)力超過(guò)其規(guī)格后會(huì)導(dǎo)致無(wú)法正常分?jǐn)?且存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
電池監(jiān)控系統(tǒng)的重要性:鋰電池通常配備了完善的電池監(jiān)控,內(nèi)部也標(biāo)配了保護(hù)開(kāi)關(guān),在電池側(cè)的應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)捷。鉛酸蓄電池內(nèi)部無(wú)保護(hù)機(jī)制,自身出現(xiàn)短路時(shí)危害大且難以及時(shí)斷開(kāi),電池監(jiān)控系統(tǒng)是防范鉛酸蓄電池失效或預(yù)防出現(xiàn)極端情況的有效工具。當(dāng)前數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目普遍采用的仍然是鉛酸蓄電池,需要配置電池監(jiān)控系統(tǒng)。
選擇具有良好充電限流能力的UPS:UPS的安全設(shè)計(jì)也會(huì)極大影響蓄電池的應(yīng)用安全,如伊頓9395、93E、93PR等各系列UPS機(jī)型均具備完善的電池保護(hù)機(jī)制,充電器良好的限流能力能給蓄電池保護(hù)帶來(lái)極大的安全保障。在外部電池組出現(xiàn)短路時(shí)UPS通過(guò)硬件限流將內(nèi)部短路電流限定在安全范圍以下,不會(huì)使短路問(wèn)題泛濫。與此同時(shí),UPS能及時(shí)提供電池故障的報(bào)警信息,將外部正在經(jīng)受的電流沖擊告知用戶,良好的報(bào)警功能給運(yùn)維提供了便利。
部分UPS還在UPS的電池回路輸出端口設(shè)置了直流接觸器開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò),以便在UPS電池端口以外地方(最常見(jiàn)的是電池本體和電池開(kāi)關(guān)箱母排)短路時(shí),主動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障的機(jī)械斷點(diǎn)隔離,雙重預(yù)防短路事故的進(jìn)一步擴(kuò)大和確保關(guān)鍵負(fù)載的持續(xù)運(yùn)行。
五、結(jié)論
綜上所述,數(shù)據(jù)中心電源本體電池保護(hù)功能與電池系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)的融合與完善性影響著數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行安全。數(shù)據(jù)中心建設(shè)者首先需要認(rèn)真了解所選電源本體(如UPS)的電池保護(hù)護(hù)功能與機(jī)理,盡量選擇保護(hù)功能相對(duì)完善的UPS,并依此構(gòu)建電池系統(tǒng)的安全保護(hù);其次,在UPS完善設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,要求電池開(kāi)關(guān)配置必須具備完備的保護(hù)策略,電池主開(kāi)關(guān)可以采用直流負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)(對(duì)于充電器限流保護(hù)功能不全的UPS機(jī)型,主開(kāi)關(guān)必須采用直流斷路器),而分組開(kāi)關(guān)必須采用保護(hù)曲線范圍寬且保護(hù)起始點(diǎn)相對(duì)高的直流斷路器,或安秒特性表現(xiàn)更好的直流熔斷器,以盡量規(guī)避各種電池短路可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。第三,單體電池監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心蓄電池應(yīng)用必不可少的環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)中心建設(shè)著只有牢牢地把握電池保護(hù)系統(tǒng)中的上述關(guān)鍵環(huán)節(jié),數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)才能長(zhǎng)治久安。
