中國儲能網(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措施以規(guī)避過載或短路可能帶來的風險。如何為電池系統(tǒng)配置適合的電氣保護系統(tǒng)將是本文討論的重點。
一、電池的電氣保護系統(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)、電池開關(guān)柜、電池組等。無輪是鉛酸蓄電池,還是當前勢頭迅猛的鋰電池,完善配置電池組的外部保護系統(tǒng)都極為關(guān)鍵。
當前鋰電池系統(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功能都已經(jīng)被配置,但其多組并聯(lián)時外部系統(tǒng)的保護方式同樣會影響系統(tǒng)的完整性,不合理的配置依然可能帶來嚴重的安全后果。而鉛酸蓄電池系統(tǒng)為多個單體電池的串聯(lián),內(nèi)部基本無保護措施,完全依賴于外部的監(jiān)控或保護裝置來維系其運行安全。因此為了完整地闡述電池系統(tǒng)的電氣保護,本文將著重分析鉛酸蓄電池的電氣保護設(shè)計,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:
無論是鋰電池柜還是鉛酸蓄電池組,在多組并聯(lián)時,組間通常都無均衡措施。若并聯(lián)組數(shù)過多就會導致電池組間出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象,從而影響蓄電池的性能及運行壽命。實際應(yīng)用中鉛酸蓄電池的并聯(lián)組數(shù)不宜超過四組,GB51194或T/CECS486等標準對此也有明確要求。受制于投資、場地空間的限制和已經(jīng)配置了柴油發(fā)電機組,數(shù)據(jù)中心常見的電池配置為滿載后備時間10～15分鐘,對于數(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很強，這就要求UPS蓄電池系統(tǒng)的保護設(shè)計一定要做到嚴謹和完善。
實現(xiàn)蓄電池保護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)是線路保護中最為常見的開關(guān)器件,它能接通、分斷和承載額定電流;當供電回路出現(xiàn)過載或短路等故障電流時,能依據(jù)其保護特性在相應(yīng)時間內(nèi)完成分閘動作以斷開回路,實現(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載的正常運行,又要確保故障電流出現(xiàn)時能提供及時的分斷保護,即分斷故障電流。為此,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斷能力,若超過則斷路器無法完成有效分斷,故障電流將一直持續(xù),斷路器可能會出現(xiàn)爆炸等極端現(xiàn)象,極易釀成更重大的事故。
2.線路實際電壓低于斷路器的額定工作電壓,若超過則斷路器無法完成有效分斷,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零點,滅弧相對會更容易;直流電沒有過零點,滅弧會更困難。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)也是一種線路保護開關(guān)器件,當電流超過規(guī)定值一定時間后,以自身的熱量使熔體熔化從而完成電路分斷。熔斷器具有良好的“安秒特性”,大電流出現(xiàn)時按照I2t的反時限保護方式快速完成熔斷,在不超限的前提下,電流越大則熔斷時間越短。熔斷器的性能與精度等級相關(guān),精度等級高的熔斷器保護會更加精準。熔斷器的配置同樣需要關(guān)注其額定電壓、額定電流、極限短路分斷能力等。蓄電池采用熔斷器保護時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)短路時可能會造成重大事故,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)置有效的預防措施就變得極為重要。下文將對UPS配套電池組在不同位置出現(xiàn)短路及對應(yīng)保護措施做逐一分析。為了方便描述及理解,將電池分組開關(guān)作為電池組“內(nèi)部”或“外部”的分界線,開關(guān)下端至整個蓄電池組的所有短路情況稱作“電池組內(nèi)部短路”;開關(guān)上端至UPS的所有短路情況稱作“電池組外部短路”。需要說明的是,本文旨在分析電池出現(xiàn)大短路電流后的保護機制,未對電池單體內(nèi)部短路原因及預防措施做過多闡述。
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,對外僅呈現(xiàn)出該單節(jié)電池性能下降,對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,不會流過外部電池開關(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,并不會出現(xiàn)其余電池組為本組電池長時間大電流充電的情況。
2.2 部分（或全部）電池串出現(xiàn)短路
當一節(jié)或多節(jié)電池成串被短路時(如電池漏液導致),短路電流將會在被短路的電池串中流動,該短路電流不會流過外部保護開關(guān),因此沒有裝置會主動消除該短路電流。當持續(xù)短路導致電池極柱熔斷后,電池組將被整體斷開,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,外部的電池開關(guān)不會流過電池短路電流,也就無法提供保護。對于鉛酸蓄電池而言,配置電池監(jiān)控系統(tǒng)非常重要,通過對單節(jié)電池的電壓、電流、內(nèi)阻、溫度等進行實時監(jiān)測,能及時獲知電池可能出現(xiàn)的異常,從而防患于未然?？上驳氖?當前電池監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)基本成為了數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的標準配置。
電池成串出現(xiàn)短路時,短路電流大,風險高,UPS應(yīng)用中必須被重點關(guān)注。當僅配置單組電池時,UPS和電池串間僅一個保護開關(guān),系統(tǒng)保護關(guān)系簡單。多組電池情況下的相互制約會使得保護關(guān)系變得復雜。下文將以四組電池并聯(lián)運行為例,分析不同短路情況下的影響及保護機制。
業(yè)內(nèi)經(jīng)常會聽到這樣的說法——在配置多組蓄電池的情況下,應(yīng)配置電池主開關(guān)和分組開關(guān),且主開關(guān)和分組開關(guān)間需具備選擇性保護關(guān)系,即分路出現(xiàn)短路時僅分組開關(guān)跳閘,避免主開關(guān)“越級跳閘”。電池分路出現(xiàn)短路現(xiàn)象時是否真的可能“越級跳閘”呢?
圖4模擬了多個電池成串被短路(短路點1)或電池組被整體短路(短路點2)時的情況。根據(jù)最短路徑原則,短路電流僅會在電池組1內(nèi)部流動,并不會流過外部的分組開關(guān),也不會流過總開關(guān),且總開關(guān)或分組開關(guān)是否斷開并不會改變電池組正在經(jīng)受大短路電流的現(xiàn)實。此時電池組1的蓄電池短路電流沒有任何裝置可以提供保護,直至電池極柱或銅排熔斷回路被斷開短路情況才會消失,該時間通常在1s~5s左右,且隨著電池的逐步老化,熔斷時間會逐步變長。
正常運行過程中各電池組并聯(lián)運行,各分組開關(guān)均處于閉合狀態(tài),當電池組1在短路標記點1出現(xiàn)短路時,電池組1的整體電壓降低,壓差的出現(xiàn)導致電池組2、3、4會向電池組1放電。電池組1分組開關(guān)上流過的放電電流將會是其余三個分組開關(guān)的3倍。隨著被短路電池串的節(jié)數(shù)增加,壓差會逐步增大,放電電流會逐步提高,到短路點2的整組短路時,電池組2、3、4也會被短路,此時流過電池組1分組開關(guān)的放電電流(實際為短路電流)也將達到最大(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,不同的電池短路節(jié)數(shù)對應(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)。
當電池組1整組短路時,其余的各組電池也都被短路，從表1可見此時的故障電流已達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機制。
當電池組1出現(xiàn)整體短路時,分組開關(guān)1流過的短路電流并不來自對應(yīng)的電池組1,而是來自于其它電池組,分組開關(guān)1經(jīng)受的短路電流是另三個分組開關(guān)的3倍。如果分組開關(guān)的脫扣特性合理,電流越大動作時間越短,3倍短路電流情況下能實現(xiàn)先保護動作,分組開關(guān)1提前分斷后將短路點隔離,2、3、4電池組的短路情況消失,可繼續(xù)為UPS提供后備;如果分組開關(guān)保護選擇性不好,則可能出現(xiàn)所有分組開關(guān)同時分斷的現(xiàn)象,此時單組電池短路將導致所有電池組脫離UPS系統(tǒng),此現(xiàn)象與“越級跳閘”結(jié)果相同,但卻并不是越級跳閘。
以500KVAUPS配置4組12V-200Ah蓄電池為例,選擇某國際知名品牌的直流斷路器,主開關(guān)1200A,分組開關(guān)400A,保護曲線如圖6所示。根據(jù)前述,當電池組1出現(xiàn)整組短路時,分組開關(guān)1上流過的短路電流將達12000A,此時的短路電流達到了開關(guān)額定運行電流(Ir)的30倍,從圖6可以看出,斷路器早已進入了瞬動范圍,脫扣時間<20ms。而對于2、3、4分組開關(guān)而言,4000A短路電流也達到了額定運行電流的10倍,也早已進入了瞬動范圍,脫扣時間<20ms。同樣的20ms內(nèi)都必須跳閘,誰先動作很難預判,所有開關(guān)可能出現(xiàn)同時跳閘。
即便分路采用了直流斷路器,且額定電壓也符合要求,但因為開關(guān)的短路保護曲線范圍窄,保護起始點低(如圖6的直流斷路器在2.5倍即進入短路保護),無法拉開不同短路電流對應(yīng)的動作時間差距,分路出現(xiàn)短路時所有分組開關(guān)可能都跳閘,從而導致所有電池組脫離UPS系統(tǒng),UPS失去后備能力。為了降低上述風險,分路直流斷路器應(yīng)盡量選擇保護曲線范圍寬,且保護起始點相對高的器件,以盡可能加大動作間隔時間,促使短路分路所對應(yīng)的斷路器更先保護跳閘,實現(xiàn)短路點隔離。
對于分組開關(guān)而言,其實還有一個更好的選擇——直流熔斷器。直流熔斷器的反時限保護動作時機清晰,電流越大分斷越快。以FLZ系列直流熔斷器為例,保護曲線如圖7所示。4000A對應(yīng)的分斷時間約為1.5ms,而12000A對應(yīng)的分斷時間會縮短到0.15ms,分斷時間相差10倍。足夠的時間差促使短路電池組對應(yīng)熔斷器會先斷開,其余分路電池組短路電流將隨之自動消失,不會出現(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,或者分路采用負荷隔離開關(guān)加熔斷器方式。負荷隔離開關(guān)加熔斷器方式保護可靠,也利于維護。
圖4的短路情況危害極大,本組的短路電流不會流過對應(yīng)的外部電池保護開關(guān),直至電池內(nèi)部發(fā)生熔斷才能斷開回路。正如前面提及的,設(shè)置電池監(jiān)控系統(tǒng)非常有必要,只有實時監(jiān)測單節(jié)電池的運行狀況,才能及時獲知電池可能出現(xiàn)的異常,從而及時發(fā)現(xiàn)問題,杜絕隱患。
事實上,單組電池短路也會導致UPS充電器短路。如果UPS正處于放電狀態(tài),短路發(fā)生時UPS系統(tǒng)將轉(zhuǎn)旁路以維系負載的繼續(xù)供電;如果UPS正處于充電狀態(tài),則保護機制將與UPS機型及設(shè)計理念相關(guān)。在充電情況下發(fā)生上述短路時,充電器的短路電流同時流經(jīng)主開關(guān)和分組開關(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,需要在市電過零點時關(guān)斷),瞬時短路電流會很大,主開關(guān)和分組開關(guān)之間就需要具備選擇性配合關(guān)系,分組開關(guān)要先于主開關(guān)分斷,否則主開關(guān)保護斷開會導致所有電池脫離UPS系統(tǒng),出現(xiàn)真正的“越級跳閘”。當然,如果短路電流足夠大,即便考慮了充足的選擇性,主開關(guān)也難以避免保護斷開。
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)時充電器會將回路電流鉗定在額定最大電流(最低電池電壓下,額定功率對應(yīng)的最大電流值),不會出現(xiàn)超出范圍的大電流,開關(guān)就不會執(zhí)行分斷動作,也就不會出現(xiàn)“越級跳閘”。如果短路情況持續(xù)存在,經(jīng)過一段較長的甄別期,系統(tǒng)將自動關(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,其間采用機械或電子開關(guān)進行切換,這樣的設(shè)計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,可能導致較長的切換間隙,從而導致UPS從市電雙變換模式轉(zhuǎn)為電池逆變放電模式時,出現(xiàn)較大的沖擊電流,該電流沖擊可能導致電池開關(guān)誤動作,從而引起負載掉電。某品牌UPS在云南某金融用戶機房就出現(xiàn)過該種類似供電事故——因市電斷電,UPS轉(zhuǎn)電池時沖擊電流導致電池開關(guān)跳閘,從而引起負載供電中斷,需要引起警示。所以UPS充放電器的獨立設(shè)計并具備完善的限流措施是非常重要的。數(shù)據(jù)中心UPS所擔負的責任重大,只有確保了UPS技術(shù)的先進性和保護機制的完善性,才能保證數(shù)據(jù)中心的持續(xù)安全運轉(zhuǎn)。
其次,業(yè)內(nèi)有部分廠商給用戶推薦的UPS電池開關(guān)柜配置方案是:“主開關(guān)采用直流斷路器、分組開關(guān)采用負荷隔離開關(guān)”。負荷隔離開關(guān)不具備保護功能,當單個電池組出現(xiàn)短路時,并聯(lián)運行的各電池組因不具備保護措施將持續(xù)被短路,短路電流不僅流過電池內(nèi)部,還會波及到電池組外部的開關(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,離電池最近的開關(guān)必須具備保護功能!
三、電池組外部短路的情況分析
3.1 短路出現(xiàn)在分組開關(guān)與主開關(guān)之間
圖9展示了在多組電池情況下,分組開圖8單個電池組短路時UPS充電器的短路分析關(guān)與主開關(guān)之間出現(xiàn)短路的情況。各電池組均被短路,短路電流流過各分組開關(guān)。不論開關(guān)采用何種方式,也不論保護特性如何,只要對應(yīng)電池分組開關(guān)具備保護功能則遲早會斷開,電池整體脫離UPS系統(tǒng)。同樣的情況,如果分組開關(guān)采用的是不具備保護功能的器件,如負荷隔離開關(guān),則各電池組的短路將沒有任何的保護措施,事態(tài)將快速惡化。
與此同時UPS充電器也被短路,不具備限流能力或限流功能不足的UPS機型其主開關(guān)會因大電流的存在而快速保護斷開,但主開關(guān)的斷開已經(jīng)不會產(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關(guān)間的線纜出現(xiàn)短路,分組開關(guān)和主開關(guān)均流過蓄電池短路電流,主開關(guān)或分組開關(guān)誰先分斷已經(jīng)沒有實際意義了,盡快保護將短路點隔離是關(guān)鍵。
該短路也會導致UPS充電器被持續(xù)硬短路,此時對UPS充電器的限流能力或保護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)部保護機制不夠完善,持續(xù)的大短路電流可能導致UPS出現(xiàn)炸機等極端現(xiàn)象。
四、蓄電池保護系統(tǒng)設(shè)計基本原則
為UPS蓄電池系統(tǒng)制定安全可靠的保護策略是數(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)保護的設(shè)計需遵循下列原則:
1.多組蓄電池情況下分組開關(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限保護特性,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的便利性,若不能實現(xiàn)熔芯的可插拔維護則分路需要加裝負荷隔離開關(guān)。
2.若分組開關(guān)采用直流斷路器,選型容量不能過大,過大可能導致保護不及時致使電池損壞;也需要考慮斷路器間的保護配合關(guān)系——比如分組斷路器全部采用了定時限方案,或者斷路器脫扣曲線的短路保護起始點不夠高,則可能因短路電流足夠大導致單組短路時所有分組開關(guān)跳閘.
3.分組開關(guān)不能采用隔離開關(guān),否則單組電池短路或主開關(guān)與分組開關(guān)之間出現(xiàn)短路時，所有電池均被短路卻沒有保護措施。
UPS充電器良好的限流能力有助于規(guī)避電池短路導致負載宕機的風險。對于具備良好限流能力的UPS機型,多組電池情況下主開關(guān)可以采用負荷隔離開關(guān);對于限流能力不足的UPS機型，主開關(guān)只能采用直流斷路器或直流熔斷器。主開關(guān)配置容量不宜太小，盡量與UPS容量匹配。
主開關(guān)作為短路保護開關(guān)和應(yīng)急時的一次性切斷操作開關(guān),由于電壓高、電流大,同時性、安全性要求高，不宜采用兩個開關(guān)并聯(lián)擴容的簡配方式。
保護開關(guān)應(yīng)盡量靠近電池側(cè),以實現(xiàn)完整的線路保護。
保護開關(guān)的額定工作電壓需高于線路實際運行電壓,否則電壓應(yīng)力超過其規(guī)格后會導致無法正常分斷,且存在爆炸的風險。
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)部也標配了保護開關(guān),在電池側(cè)的應(yīng)用相對簡捷。鉛酸蓄電池內(nèi)部無保護機制,自身出現(xiàn)短路時危害大且難以及時斷開,電池監(jiān)控系統(tǒng)是防范鉛酸蓄電池失效或預防出現(xiàn)極端情況的有效工具。當前數(shù)據(jù)中心項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)計也會極大影響蓄電池的應(yīng)用安全,如伊頓9395、93E、93PR等各系列UPS機型均具備完善的電池保護機制,充電器良好的限流能力能給蓄電池保護帶來極大的安全保障。在外部電池組出現(xiàn)短路時UPS通過硬件限流將內(nèi)部短路電流限定在安全范圍以下,不會使短路問題泛濫。與此同時,UPS能及時提供電池故障的報警信息,將外部正在經(jīng)受的電流沖擊告知用戶,良好的報警功能給運維提供了便利。
部分UPS還在UPS的電池回路輸出端口設(shè)置了直流接觸器開關(guān)來實現(xiàn)故障容錯,以便在UPS電池端口以外地方(最常見的是電池本體和電池開關(guān)箱母排)短路時,主動實現(xiàn)故障的機械斷點隔離,雙重預防短路事故的進一步擴大和確保關(guān)鍵負載的持續(xù)運行。
五、結(jié)論
綜上所述,數(shù)據(jù)中心電源本體電池保護功能與電池系統(tǒng)保護設(shè)計的融合與完善性影響著數(shù)據(jù)中心的運行安全。數(shù)據(jù)中心建設(shè)者首先需要認真了解所選電源本體(如UPS)的電池保護護功能與機理,盡量選擇保護功能相對完善的UPS,并依此構(gòu)建電池系統(tǒng)的安全保護;其次,在UPS完善設(shè)計的基礎(chǔ)上,要求電池開關(guān)配置必須具備完備的保護策略,電池主開關(guān)可以采用直流負荷隔離開關(guān)(對于充電器限流保護功能不全的UPS機型,主開關(guān)必須采用直流斷路器),而分組開關(guān)必須采用保護曲線范圍寬且保護起始點相對高的直流斷路器,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的風險。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系統(tǒng)中的上述關(guān)鍵環(huán)節(jié),數(shù)據(jù)中心運營才能長治久安。
