掃一掃在手機上閱讀
發布日期：2022-8-15
作為數據中心基礎設施的核心,UPS等電源系統是業務連續性的最基礎保障,而電池系統又是電源系統中至關重要的一環,電池系統的安全可控不僅是電源系統的最基本要求,也是數據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,內阻低,短路危害大,因此電池系統必須配備完善的保護措施以規避過載或短路可能帶來的風險。如何為電池系統配置適合的電氣保護系統將是本文討論的重點。
✦ 一、電池的電氣保護系統概述
數據中心電源系統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都極為關鍵。
當前鋰電池系統通常以包含BMS模塊的整柜形式出現,BMS模塊具有一定的電池監控與管理能力并自帶斷路器,相對鉛酸蓄電池而言,其感知柜內電池的異常能力及單組電池的保護功能都已經被配置,但其多組并聯時外部系統的保護方式同樣會影響系統的完整性,不合理的配置依然可能帶來嚴重的安全后果。而鉛酸蓄電池系統為多個單體電池的串聯,內部基本無保護措施,完全依賴于外部的監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的電氣保護,本文將著重分析鉛酸蓄電池的電氣保護設計,其配置原則同樣可以融合到鋰電池系統中。數據中心電源系統本體(本文以UPS為例)和蓄電池間的系統結構示意如圖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,在多組并聯時,組間通常都無均衡措施。若并聯組數過多就會導致電池組間出現不均衡現象,從而影響蓄電池的性能及運行壽命。實際應用中鉛酸蓄電池的并聯組數不宜超過四組,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配置了柴油發電機組,數據中心常見的電池配置為滿載后備時間10～15分鐘,對于數據中心普遍選擇的500、600KVAUPS而言,基本就是配備3～4組200多安時的電池組并聯(每組約40～50節12V電池串聯)。3～4組的蓄電池組并聯,一旦出現短路等極端情況破壞性會很強，這就要求UPS蓄電池系統的保護設計一定要做到嚴謹和完善。
實現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器件,它能接通、分斷和承載額定電流;當供電回路出現過載或短路等故障電流時,能依據其保護特性在相應時間內完成分閘動作以斷開回路,實現故障電流的截止。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,斷路器可能會出現爆炸等極端現象,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,也有可能出現爆炸等極端現象。
3.應用于交流環境和直流環境的斷路器存在較大區別。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用條件的產品。
熔斷器(Fuse)也是一種線路保護開關器件,當電流超過規定值一定時間后,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,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系統而言電池熔斷器通常選用直流750V規格;如果電池配置節數在40節(12V電池)以下,也可采用直流600V的電壓規格。
UPS電源系統在蓄電池出現短路時可能會造成重大事故,因此關注蓄電池的短路成因,分析短路電流的構成,從而設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短路及對應保護措施做逐一分析。為了方便描述及理解,將電池分組開關作為電池組“內部”或“外部”的分界線,開關下端至整個蓄電池組的所有短路情況稱作“電池組內部短路”;開關上端至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大短路電流后的保護機制,未對電池單體內部短路原因及預防措施做過多闡述。
✦ 二、電池組內部短路的情況分析
2.1單節電池內部短路
單節電池內部短路主要表現為局部微短路,對外僅呈現出該單節電池性能下降,對UPS系統的供電影響不大。短路電流僅局限在單節電池內部,不會流過外部電池開關。單節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阻的限制,并不會出現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）電池串出現短路
當一節或多節電池成串被短路時(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,因此沒有裝置會主動消除該短路電流。當持續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。
蓄電池組內部出現短路時,外部的電池開關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,配置電池監控系統非常重要,通過對單節電池的電壓、電流、內阻、溫度等進行實時監測,能及時獲知電池可能出現的異常,從而防患于未然。可喜的是:當前電池監控系統已經基本成為了數據中心電源系統的標準配置。
電池成串出現短路時,短路電流大,風險高,UPS應用中必須被重點關注。當僅配置單組電池時,UPS和電池串間僅一個保護開關,系統保護關系簡單。多組電池情況下的相互制約會使得保護關系變得復雜。下文將以四組電池并聯運行為例,分析不同短路情況下的影響及保護機制。
業內經常會聽到這樣的說法——在配置多組蓄電池的情況下,應配置電池主開關和分組開關,且主開關和分組開關間需具備選擇性保護關系,即分路出現短路時僅分組開關跳閘,避免主開關“越級跳閘”。電池分路出現短路現象時是否真的可能“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。根據最短路徑原則,短路電流僅會在電池組1內部流動,并不會流過外部的分組開關,也不會流過總開關,且總開關或分組開關是否斷開并不會改變電池組正在經受大短路電流的現實。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運行,各分組開關均處于閉合狀態,當電池組1在短路標記點1出現短路時,電池組1的整體電壓降低,壓差的出現導致電池組2、3、4會向電池組1放電。電池組1分組開關上流過的放電電流將會是其余三個分組開關的3倍。隨著被短路電池串的節數增加,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節時,不同的電池短路節數對應的參考放電電流(考慮接觸電阻及線纜阻抗,電池內阻按照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。
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的動作時間差距,分路出現短路時所有分組開關可能都跳閘,從而導致所有電池組脫離UPS系統,UPS失去后備能力。為了降低上述風險,分路直流斷路器應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的斷路器更先保護跳閘,實現短路點隔離。
對于分組開關而言,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對應的分斷時間約為1.5ms,而12000A對應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,不會出現所有電池退出系統的情況。
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加熔斷器方式。負荷隔離開關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的外部電池保護開關,直至電池內部發生熔斷才能斷開回路。正如前面提及的,設置電池監控系統非常有必要,只有實時監測單節電池的運行狀況,才能及時獲知電池可能出現的異常,從而及時發現問題,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,短路發生時UPS系統將轉旁路以維系負載的繼續供電;如果UPS正處于充電狀態,則保護機制將與UPS機型及設計理念相關。在充電情況下發生上述短路時,充電器的短路電流同時流經主開關和分組開關,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斷),瞬時短路電流會很大,主開關和分組開關之間就需要具備選擇性配合關系,分組開關要先于主開關分斷,否則主開關保護斷開會導致所有電池脫離UPS系統,出現真正的“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,額定功率對應的最大電流值),不會出現超出范圍的大電流,開關就不會執行分斷動作,也就不會出現“越級跳閘”。如果短路情況持續存在,經過一段較長的甄別期,系統將自動關閉充電器。
值得一提的是,現在某些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進行切換,這樣的設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為電池逆變放電模式時,出現較大的沖擊電流,該電流沖擊可能導致電池開關誤動作,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過該種類似供電事故——因市電斷電,UPS轉電池時沖擊電流導致電池開關跳閘,從而引起負載供電中斷,需要引起警示。所以UPS充放電器的獨立設計并具備完善的限流措施是非常重要的。數據中心UPS所擔負的責任重大,只有確保了UPS技術的先進性和保護機制的完善性,才能保證數據中心的持續安全運轉。
其次,業內有部分廠商給用戶推薦的UPS電池開關柜配置方案是:“主開關采用直流斷路器、分組開關采用負荷隔離開關”。負荷隔離開關不具備保護功能,當單個電池組出現短路時,并聯運行的各電池組因不具備保護措施將持續被短路,短路電流不僅流過電池內部,還會波及到電池組外部的開關和線纜,后果也是不堪設想的。不論是單組還是多組蓄電池,離電池最近的開關必須具備保護功能!
✦ 三、電池組外部短路的情況分析
3.1短路出現在分組開關與主開關之間
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與主開關之間出現短路的情況。各電池組均被短路,短路電流流過各分組開關。不論開關采用何種方式,也不論保護特性如何,只要對應電池分組開關具備保護功能則遲早會斷開,電池整體脫離UPS系統。同樣的情況,如果分組開關采用的是不具備保護功能的器件,如負荷隔離開關,則各電池組的短路將沒有任何的保護措施,事態將快速惡化。
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機型其主開關會因大電流的存在而快速保護斷開,但主開關的斷開已經不會產生額外的影響,所有電池已經因持續短路而脫離UPS系統。
3.2短路出現在UPS直流輸出側
如果短路點出現在UPS的直流輸出側(圖10所示),如UPS電池連接端口至電池組總開關間的線纜出現短路,分組開關和主開關均流過蓄電池短路電流,主開關或分組開關誰先分斷已經沒有實際意義了,盡快保護將短路點隔離是關鍵。
該短路也會導致UPS充電器被持續硬短路,此時對UPS充電器的限流能力或保護能力就是極大的挑戰。如果UPS自身的硬件限流能力不足,或者UPS內部保護機制不夠完善,持續的大短路電流可能導致UPS出現炸機等極端現象。
✦ 四、蓄電池保護系統設計基本原則
為UPS蓄電池系統制定安全可靠的保護策略是數據中心建設之初就必須重視的，基于前面的分析，數據中心電池系統保護的設計需遵循下列原則:
1.多組蓄電池情況下分組開關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,應該作為優選方案。采用熔斷器方案需要考慮維護的便利性,若不能實現熔芯的可插拔維護則分路需要加裝負荷隔離開關。
2.若分組開關采用直流斷路器,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跳閘.
3.分組開關不能采用隔離開關,否則單組電池短路或主開關與分組開關之間出現短路時，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可以采用負荷隔離開關;對于限流能力不足的UPS機型，主開關只能采用直流斷路器或直流熔斷器。主開關配置容量不宜太小，盡量與UPS容量匹配。
主開關作為短路保護開關和應急時的一次性切斷操作開關,由于電壓高、電流大,同時性、安全性要求高，不宜采用兩個開關并聯擴容的簡配方式。
保護開關應盡量靠近電池側,以實現完整的線路保護。
保護開關的額定工作電壓需高于線路實際運行電壓,否則電壓應力超過其規格后會導致無法正常分斷,且存在爆炸的風險。
電池監控系統的重要性:鋰電池通常配備了完善的電池監控,內部也標配了保護開關,在電池側的應用相對簡捷。鉛酸蓄電池內部無保護機制,自身出現短路時危害大且難以及時斷開,電池監控系統是防范鉛酸蓄電池失效或預防出現極端情況的有效工具。當前數據中心項目普遍采用的仍然是鉛酸蓄電池,需要配置電池監控系統。
選擇具有良好充電限流能力的UPS:UPS的安全設計也會極大影響蓄電池的應用安全,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。在外部電池組出現短路時UPS通過硬件限流將內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置了直流接觸器開關來實現故障容錯,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箱母排)短路時,主動實現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鍵負載的持續運行。
掃一掃關注微信
