UPS电池的使用与维护.docx
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UPS电池的使用与维护
浅谈UPS电池的使用与维护
实习生：
李树升
指导老师：
许瑞生
摘要：
UPS是海洋平台电力系统中的重要组成部分，而电池作为UPS的“心脏”由电池引起的UPS不能正常工作的故障，占UPS故障的40%左右，因此电池的使用及维护，是一件重要的工作。
本文结合印尼平台UPS系统调试过程论述了UPS电池的使用及维护。
关键词：
电池、UPS、调试、带负载放电、使用与维护
1、关于蓄电池
蓄电池是一种可逆电池，当适当的直流电源正极加到蓄电池正极上，而直流电源的负极加到蓄电池的负极时，蓄电池处于充电状态，经过蓄电池内的化学变化将电能变成化学能储存起来；当除掉蓄电池的外接直流电源之后，在蓄电池的两极之间加上合适的负载，蓄电池内的化学能会变成电能送给负载。
UPS常用蓄电池做储能元件，每套UPS都具有一组或几组蓄电池并联使用。
以往的项目UPS都是使用碱性电池，印尼项目UPS系统采用的是铅酸电池。
一般铅酸蓄电池在充电过程中和终止时，在电极上伴随着水的分解，生成的氢气和氧气会慢慢消失在空气中。
所以，对于一般铅酸蓄电池，每隔一定的时间必须对其进行补水，以补充电解液中损失的水分，否则电解液的浓度将大大超过规定值，使电池失效。
而印尼项目UPS系统所采用的密封铅酸免维护电池使用了高氢过电位的板栅材料，采用阴极吸收式密封技术，实现了“水的分解到催化复合到水”的自我循环，使蓄电池在充电过程中少发生或不发生分解和氧气析出，克服了普通蓄电池需要定期补水的缺点，达到了免维护的目的。
2、电池在UPS中的作用
正常情况下电池处于浮充充电状态，由整流器提供一个恒定电压，阻止电池放电，当输入电源出现异常，或UPS输出功率不能满足负载要求时，电池自动向逆变器放电，如图：
图1电池放电示意图
电池在以下情况时投入并代替主交流电源向逆变器提供负载所需的连续电力：
♦主交流输入故障时（停电）；
♦主交流输入超出容限（电压、频率超限）。
电池的第二个作用是缓冲负载电流的突变：
♦大型负载的启动电流；
♦大型负载的故障电流等。
3、印尼项目BWA平台UPS系统所采用电池的基本数据
♦类型：
密封铅酸免维护电池
♦型号：
MAL12-44
♦额定电压：
418.5VDC
2.0V/cell
♦终止电压：
1.80V/cell
♦浮充电压：
2.25~2.27V/cell
♦强充电压：
2.38~2.4V/cell
♦电池容量：
44Ah
♦浮充电流：
5A
♦最大安全电流：
7A
4、UPS电池容量、串联只数、并联组数计算
以印尼BWA平台上所使用的UPS为例，容量30KVA，电池终止电压为当逆变器效率为0.95，输出功率因数为0.8时，要求后备时间为30分钟。
♦则所需的电池直流功率为：
其中：
Pn为UPS额定容量；Pf为输出功率因数；η为逆变器效率；γ为负载百分率；C为余量因数。
♦每只电池电压12V，每组电池的串联只数应修整到12V的整数倍：
根据厂家提供的电池放电功率表，我们选择MAL12-44（12V-44AH）电池，每个单体放电功率为92.2W（1.80V/单体，放电30分钟时）则需要的电池组数为：
所需要的电池配置为：
12V-44AH电池31只×2组
布置图如下：
图2BWA平台电池布置图
5、电池调试前准备
电池的初充电十分关键，如果采取错误的方法对电池进行第一次充电，会严重影响电池寿命，也会大大降低电池的容量，严重时会发生电池爆炸的事故。
铅酸电池最佳充电电流为0.1C（C为容量，比如44AH的电池，C=44）左右，也就是4.4A来充电，充电电流决不能大于0.3C，采用分级定流充电方式，即在充电初期用较大电流，充电一定时间后，改用较小电流，充电后期，改用更小电流。
这种充电方式的充电效率高，时间短，充电效果也好，并且对延长电池寿命有利。
电池充电特性曲线如下：
图3电池充电特性曲线
电池虽然经过初充电，但安装以后一直搁置在电池间，由于电池会发生自放电现象，所以在做放电实验以前要检查一下每节电池的电压，如果发现自放电现象比较严重，要对电池进行再充电。
调试前我们检查到个别电池电压在11.7V左右（充满状态应为12V），这种情况下进行放电实验，必然造成放电时间不够。
所以还要对电池充电，打开UPS，系统自动给电池充电。
直到显示屏上显示充电电流到了一个极小的稳定值，表明电池已充满，可以做放电实验了。
6、电池带负载放电实验
UPS调试一个最重要的环节就是电池带负载放电实验，由电池组向模拟负载放电能直接发现由安装过程导致或电池自身的问题。
我们采用一台临时发电机（600KW、480V、60Hz）提供调试用电力，UPS输出母排挂干式负荷模拟真实负载，临时配线图如下：
图4UPS调试临时配线图
♦干式负荷及临时电缆的选择
BWA平台UPS额定容量为30KVA，功率因数0.8。
因此要选择满足UPS容量的干式负荷，我们使用的是1650KVA可调式干式负荷，其cos∮0.16~1.00可调，满足30KVA实验要求，能模拟100%正常负载。
通过计算，我们得知放电时电流约为144.5A，根据电缆载容量，选择3C×70mm2电缆作为临时调试用电缆，电流承受能力158A。
♦调试前检查
1、检查电池组是否完成安装就位，电缆是否已正确连接。
2、检查电池的数量是否正确，确认电池极性连接无误。
3、检查UPS柜体内部电缆连接是否完好。
4、检查干电阻的连接是否正确，接头是否牢固。
5、逐节测量电池，判断每节电池是否充电正常。
♦开始放电实验
确认所有安装和电缆连接都无误后，开始放电实验。
关断旁路，切断主电源输入，此时由电池组通过逆变器向负载提供电力。
各项数值记录如下：
RecordTime
UPSOutPutVoltage
UPSOutPutAmpere
VoltageperUnit
0Min
119.8
139.9
12
5Min
119.8
139.9
11.9
10Min
119.8
139.8
11.8
15Min
119.7
139.8
11.7
20Min
119.7
139.7
11.5
25Min
119.7
139.7
11.1
30Min
119.7
139.7
10.9
表1UPS放电实验相关数据
下图为电池放电特性曲线及UPS输出特性曲线：
图5电池放电特性曲线及UPS输出特性曲线
由上图我们可以看到，电池的终止电压对UPS输出有很大影响。
如果电池终止电压高于UPS终止电压，造成放电时间未达到要求的30分钟时，逆变器就停止工作，不能继续向外提供应急电力。
另一种情况，电池终止电压低于UPS终止电压，放电满足30分钟要求时电池还能继续放电很长一段时间，造成电池容量的浪费。
我们把逆变器停止工作的电压（UPS终止电压）设定在337V（电池终止电压335V）。
通过实验，我们发现这样能保证UPS放电时间达到要求，同时不会出现电池放电深度过大的情况。
放电过程中，尤其是放电快结束时，要逐节监测电池的电压，如果发现有电池出现过放电现象，应及时停止放电实验，防止电池过度放电对电池造成损伤，对有问题电池进行检查，看有无漏液、接线端子连接不牢的情况，正常的话说明电池容量有问题，要进行更换。
♦放电结束后，闭合主输入开关，打开旁路，系统自动对电池组进行充电。
7、电池的使用与维护
使用免维护电池不等于不维护，维护工作做的好可以延长电池寿命，减少故障的发生，不能因为高智能、免维护而忽略了本应进行的维护工作，在选择UPS时应该考虑到该UPS对电池的维护性。
因为蓄电池可以说是UPS的心脏，如果使用不当，将导致蓄电池损坏，就只能更换新的电池，这将造成不必要的损失。
那么，在电池的使用及维护中，应当注意哪些问题呢？
首先，电池应当正立安装放置，不可倾斜，电池组中每个电池间端子连接要牢固,如果连接不牢固的话，造成接线处阻值增大，电流在端子上做功，产生很大热量。
旅大项目UPS放电实验时就因为接线不牢而发生在放电过程中电池组起火的事故。
因此这个问题不容忽视。
其次，电池应尽可能安装在清洁、阴凉、正压通风、干燥的地方，并要避免受到阳光、加热器或其它辐射热源的影响，让电池有一个良好的工作、存储环境。
实验证明，存储温度越高，电池的残留容量越小。
若将蓄电池存在温度高达50摄氏度的环境中2.5个月不使用，则有可能出现由于蓄电池超过其自身的存储寿命，而导致蓄电池产生永久性损坏。
这就是为什么长期搁置不用，其使用寿命反而比经常处于充放电工作状态的旧电池使用寿命还短的原因。
所以，如果UPS闲置不使用，或因很少停电而使UPS长时间没有工作，就应该人为地对蓄电池进行充、放电的“激活”操作。
第三，要注意电池间的防爆问题，电池间容易产生易燃易爆气体，因此电池间应避免有明火作业，否则有可能引起爆炸事故，造成人员伤亡和设备损坏。
第四，在使用过程中，应注意电池的放电深度问题，因为密封免维护蓄电池的使用寿命与电池的放电深度密切相关。
所谓放电深度是指用户在使用电池的过程中，让电池放出的容量占它的标准容量的百分比。
按电池生产厂家所提供的数据：
当电池放电深度为100%时，电池的实际使用寿命大约是200-250次充放电循环；如果将电池的放电深度50%，它所允许的充放电循环次数可增加到500-600次左右；当电池的放电深度为30%左右时，它所允许的充电循环次数可达1200次以上。
由此可见，为了延长电池的使用寿命，不要让电池处于深度放电状态。
同时电池会因为过度放电而损坏。
所以，应避免出现小电流的长时间放电状态。
最后，要注意电池与电池放置地的环境温度的关系。
当环境温度升高时，电池组本身固有的“存储寿命”会逐渐缩短。
例如：
电池的预期寿命在环温为20℃时为10年，在环温为45℃时只有5年。
如果选配有温度补偿功能的充电器的UPS可以使电池的使命延长30%~50%。
因为当环境温度升高时，电池所允许的浮充电压阀值下降。
此时，若浮充电压为固定，势必对电池组置于“过压充电”工作状态，加剧电池的化学反应，造成蓄电池中的水分子大量电解，放出氢气和氧气而逸出，电解液不断干涸，电池容量减少，从而缩短电池的寿命。
8、MGEUPS中的电池保护
♦为了避免电池长时间小电流放电，造成电池的过度放电而永久性损，MGEUPS设计了三倍额定后备时间T的保护，当电池给逆变器供电达到3T时，逆变器自动停机。
♦电池监视器还具有两个小时的待机时间，当逆变器放电终止2小时后，如果主输入电源仍然不能恢复正常，则电池电路的断路器会自动脱扣，从而将电池支路与UPS彻底断开，防止电池对UPS控制电路的小电流放电而损伤电池。
♦MGEUPS中还专门设置了电池温度传感器，用以补偿控制浮充电压和电流，同时还设置了计算电池寿命的计算器，根据电池温度和使用时间自动修正充电电压和电池寿命。
♦采用了三段式间歇充电，减少充电功率和电池的电解液损失，防止长时间浮充对电池造成充电饱和而失效。
9、调试过程中出现的问题及建议
♦电池间内对电池组的保护措施不完善，电池组安装就位后，并不能保证室内的清洁与通风，脚手架、电缆支架等杂物随意的放置在电池组四周，加上房间内电缆铺设及舾装还没有完成，施工人员进出比较频繁。
这样电池很容易被东西砸坏，电池表面也容易落上许多灰尘，由于外部的漏电引起过量的自放电，缩短电池寿命。
保护措施不好，可能会发生人员触电的事故。
电池组往往不受重视，因此这个问题经常被忽略掉，建议在以后的项目中应该完善对电池的保护，比如制作临时支架然后用帆布覆盖，即可避免电池被砸坏，也使得电池上不容易落上灰尘，还应该派专门的人来对电池保护进行监护。
这样就能保证电池组从安装就位到投入使用的间隔期间内不受到损伤。
电池虽小，但若由于保护措施不当造成电池寿命缩短或报废，使公司承受不必要的损失，这是不应该的。
预防在任何时候都是安全运行的重要保障。
♦印尼项目采用铅酸电池作为UPS的后备电池，同以往项目中UPS使用的镍镉电池有很大的区别：
不同于镍镉电池，铅酸电池在充放电过程中会产生氢气，这次项目中虽然使用的密封式铅酸电池，但这并不说明电池不会产生氢气。
在对UPS进行调试前我发现，在电池间有工人进行明火作业，这是很危险的。
如果各部门提前沟通，将需要动用明火的作业提前到电池安装就位以前，这个问题就能解决。
♦放电深度对电池使用寿命的影响也非常大，电池放电深度越深，其循环使用次数就越少,因此在使用时应避免深度放电。
所以要注意UPS逆变器电池低电位保护值的设定问题，一般单节电池放电至1.8V左右时，UPS逆变器就应该自动关机，因此将UPS逆变器的截止电压设定在335V左右。
由于平台调试阶段经常有主电源失电的情况，而一般来说UPS负载又比较小，为了不对电池造成深度放电这就需要避免UPS处于轻载放电或空载放电的情况，不建议长期使用UPS电池为中控系统送电。
♦这次印尼项目UPS使用两组容量15KVA的电池提供后备电力，电池组与UPS的连接如下：
图6电池与UPS的连接
两台UPS功率均为30KVA，需要放电时，只由一组电池提供电力显然不能达到放电30分钟的要求，只能闭合电池联络开关Q10，由两组电池同时供电才能满足放电要求。
当平台投入使用后，如果有一组电池出现故障，没有后备电池，只能使用一组电池，发生紧急事故的时候不能确保UPS向中控及通讯等系统提供紧急电力。
我认为，如果使用两组30KVA电池，这样放电时由一组电池供电就能满足要求，也能做到一主一备，避免一组电池发生故障UPS系统就瘫痪的问题。
结束语：
调试工作的目的，是为了让设备达到它的最佳状态并且能够稳定运行。
因此从事调试工作必须具备过硬的技术和丰富的现场经验，由于本人知识水平有限，在本文中只能简单的说明一下UPS电池的使用与维护，并对调试工作提出一些浅显的意见，还有更多的理论知识及工作经验等待我去学习。
希望各位专家和老师提出批评和建议。
致谢：
本文写作过程中得到了我的指导老师许瑞生工程师的悉心指导和帮助。
在繁忙的工作之余，对我的写作进行指点，提出了许多宝贵的意见，使我学习到了很多知识。
在此，我向他致以我真挚的谢意。
同时也感谢我的同事以及工作在生产第一线的师傅们毫无保留的解答我在写作中遇到的问题。
参考文献
《不间断电源的原理安装调试和维修》国防工业出版社曾仲其邵金兰曾建国
《梅兰日兰印尼项目UPS厂家资料》
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