市電油機(jī)切換間隔UPS電池充放電性能分析

張維東

（中國電信股份有限公司 重慶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控維護(hù)中心，重慶 400042）

0 引 言

按照年度作業(yè)計(jì)劃，重慶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控維護(hù)中心安排了對某通信大樓兩路高壓線路中的線路1進(jìn)行例行檢修測試。在市電與市電切換中，因不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）電池容量嚴(yán)重不足導(dǎo)致電池放電中止，引起UPS輸出掉電22 min。從該故障案例著手，分析了市電油機(jī)切換操作中UPS電池充放電性能，提出了市電油機(jī)切換時(shí)間間隔高于30 min的要求[1]。

1 故障情況

12月4日，按照年度作業(yè)計(jì)劃和供電局安排，對某通信大樓高壓線路1進(jìn)行檢修測試。9:33—9:35將高壓線路市電1倒換到油機(jī)供電，倒換后設(shè)備和業(yè)務(wù)運(yùn)行正常。11:51高壓檢修測試結(jié)束后進(jìn)行油機(jī)電倒換到高壓線路市電1供電，設(shè)備和業(yè)務(wù)運(yùn)行正常。倒換完成后，供電局要求恢復(fù)到高壓線路市電2供電。11:57—12:02進(jìn)行市電1/市電2倒換時(shí)，某套300 kVA UPS發(fā)生輸出掉電，維護(hù)人員緊急合閘后于12:19分恢復(fù)供電，掉電時(shí)間共22 min。具體UPS掉電情況如圖1和圖2所示，切換過程如圖3所示。

圖1 蓄電池組電壓曲線

圖2 UPS輸入電壓曲線

圖3 切換過程

2 故障分析

高壓線路1檢修測試完成后，接供電局通知需將高壓線路市電1倒換至高壓線路市電2。在倒換過程，蓄電池容量不足，導(dǎo)致UPS輸出中斷，倒換時(shí)間為2 min。倒換完成后，因UPS固有的保護(hù)性能，在電池放電到放電終點(diǎn)電壓（End Of Discharge Voltege，EODV）值時(shí)，市電恢復(fù)后，UPS延時(shí)10 min供電。在UPS延時(shí)供電時(shí)間到后,在低壓間對UPS供電的輸入開關(guān)跳閘，10 min后恢復(fù)供電，全程中斷22 min。綜上所述，充電時(shí)間不夠、電池容量不足是導(dǎo)致本次掉電的根本原因。若電池正常，則不會(huì)發(fā)生倒換2 min的中斷和UPS保護(hù)機(jī)制的觸發(fā)引起的延時(shí)10 min供電。即使發(fā)生輸入空開跳閘，電池也能正常保證負(fù)載供電[2]。

3 電池充放電性能分析

該套300 kVA UPS單機(jī)配套蓄電池容量C10為600 Ah，電池充電電流I充一般按0.1C10計(jì)算，即60 A。其交流負(fù)荷為A相280 A、B相228 A、C相219 A，電池放電時(shí)電壓為350 V，功率因數(shù)取0.8。

將其換算成電池放電直流負(fù)荷，則交流功率P交=(280+228+219)×220=727×220=159.94 kW， 電 池 直流放電電流I放=P交×0.8÷350=159.94×1000×0.8÷350≈365.58 A。按切換時(shí)間2 min計(jì)算，電池放出容量C放電2=I放×放電小時(shí)數(shù)=365.58×(2÷60)≈12 Ah；按切換時(shí)間5 min計(jì)算，電池放出容量C放電5=I放× 放電小時(shí)數(shù) =365.58×(5÷60)≈ 30 Ah。切換中電池放電2 min，其放出容量約為12 Ah，需要補(bǔ)充電時(shí)間T補(bǔ)12=(C放電2/I充)×60=(12/60)×60=12 min；切換中電池放電5 min，其放出容量約為30 Ah，需要補(bǔ)充電時(shí)間為T補(bǔ)30=(C放電5/I充)×60=(30/60)×60=30 min。

通過計(jì)算分析，電池需充電12 min才能補(bǔ)充回該UPS系統(tǒng)切換一次電池放電2 min所放出的電量，充電30 min才能補(bǔ)充回該UPS系統(tǒng)切換一次電池放電5min所放出的電量。電池放電2～5 min后補(bǔ)充電需要12～30 min，本案例中在進(jìn)行第3次切換時(shí)電池才充電約5 min，沒能將電池容量充足就進(jìn)行大電流放電，最終導(dǎo)致切換時(shí)電池電壓迅速下降，產(chǎn)生UPS掉電故障。根據(jù)表1，通過計(jì)算分析得出在切換中因電池大電流放電，其放出的電能容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定容量C10。若市電油機(jī)系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)多次切換，UPS電池在連續(xù)多次大電流放電后未能及時(shí)補(bǔ)充電，則短時(shí)間內(nèi)電池組電壓會(huì)迅速下降，導(dǎo)致電池放電中止，產(chǎn)生UPS無輸出掉電故障[3-5]。

表1 電池容量系數(shù)關(guān)系

4 切換間隔分析

每次切換操作時(shí)，UPS電池均要進(jìn)行充放電。在市電油機(jī)切換間隔時(shí)間內(nèi)，電池給負(fù)載供電，切換完成后由油機(jī)或市電給電池充電。短時(shí)間內(nèi)連續(xù)多次切換操作時(shí)，充電時(shí)間不夠，電池未充足電就放電，導(dǎo)致電池容量嚴(yán)重不足，倒換時(shí)電池電壓迅速下降，從而出現(xiàn)UPS掉電情況。本案例中第1次市電切換為油機(jī)供電后，油機(jī)給電池充電時(shí)長約136 min；第2次油機(jī)切換回市電后，市電給電池充電約5 min后就迅速進(jìn)行了第3次市電倒市電切換，電池充電容量嚴(yán)重不足，在大電流負(fù)載放電下電池電壓迅速下降，從而出現(xiàn)故障。切換情況如表2所示。

表2 切換情況統(tǒng)計(jì)

一般市電油機(jī)切換操作能在5 min內(nèi)完成，在不知道UPS電池性能惡化程度的情況下，為彌補(bǔ)這5 min內(nèi)電池的放電量，通過理論推導(dǎo)計(jì)算并結(jié)合維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，一般要求UPS電池補(bǔ)充電高于30 min以上才能進(jìn)行下次市電油機(jī)或市電倒市電切換操作。

5 結(jié) 論

綜上所述，在進(jìn)行通信電源系統(tǒng)市電倒油機(jī)、油機(jī)倒市電以及市電倒市電的操作中，要先確認(rèn)后備電池組的性能情況，在電池組容量足夠的情況下才能進(jìn)行切換操作。如果在短時(shí)間內(nèi)做連續(xù)多次切換操作時(shí)，切換間隔時(shí)間要求高于30 min，以使電池組補(bǔ)充到足夠容量的電能，從而避免因切換間隔時(shí)間過短、電池組未能補(bǔ)充足夠容量電能使市電油機(jī)切換產(chǎn)生UPS掉電故障。