市电油机切换间隔UPS电池充放电性能分析
2021-05-25张维东
张维东
（中国电信股份有限公司 重庆网络监控维护中心，重庆 400042）
0 引 言
按照年度作业计划，重庆网络监控维护中心安排了对某通信大楼两路高压线路中的线路1进行例行检修测试。在市电与市电切换中，因不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）电池容量严重不足导致电池放电中止，引起UPS输出掉电22 min。从该故障案例着手，分析了市电油机切换操作中UPS电池充放电性能，提出了市电油机切换时间间隔高于30 min的要求[1]。
1 故障情况
12月4日，按照年度作业计划和供电局安排，对某通信大楼高压线路1进行检修测试。9:33—9:35将高压线路市电1倒换到油机供电，倒换后设备和业务运行正常。11:51高压检修测试结束后进行油机电倒换到高压线路市电1供电，设备和业务运行正常。倒换完成后，供电局要求恢复到高压线路市电2供电。11:57—12:02进行市电1/市电2倒换时，某套300 kVA UPS发生输出掉电，维护人员紧急合闸后于12:19分恢复供电，掉电时间共22 min。具体UPS掉电情况如图1和图2所示，切换过程如图3所示。
图1 蓄电池组电压曲线
图2 UPS输入电压曲线
图3 切换过程
2 故障分析
高压线路1检修测试完成后，接供电局通知需将高压线路市电1倒换至高压线路市电2。在倒换过程，蓄电池容量不足，导致UPS输出中断，倒换时间为2 min。倒换完成后，因UPS固有的保护性能，在电池放电到放电终点电压（End Of Discharge Voltege，EODV）值时，市电恢复后，UPS延时10 min供电。在UPS延时供电时间到后,在低压间对UPS供电的输入开关跳闸，10 min后恢复供电，全程中断22 min。综上所述，充电时间不够、电池容量不足是导致本次掉电的根本原因。若电池正常，则不会发生倒换2 min的中断和UPS保护机制的触发引起的延时10 min供电。即使发生输入空开跳闸，电池也能正常保证负载供电[2]。
3 电池充放电性能分析
该套300 kVA UPS单机配套蓄电池容量C10为600 Ah，电池充电电流I充一般按0.1C10计算，即60 A。其交流负荷为A相280 A、B相228 A、C相219 A，电池放电时电压为350 V，功率因数取0.8。
将其换算成电池放电直流负荷，则交流功率P交=(280+228+219)×220=727×220=159.94 kW， 电 池 直流放电电流I放=P交×0.8÷350=159.94×1000×0.8÷350≈365.58 A。按切换时间2 min计算，电池放出容量C放电2=I放×放电小时数=365.58×(2÷60)≈12 Ah；按切换时间5 min计算，电池放出容量C放电5=I放× 放电小时数 =365.58×(5÷60)≈ 30 Ah。切换中电池放电2 min，其放出容量约为12 Ah，需要补充电时间T补12=(C放电2/I充)×60=(12/60)×60=12 min；切换中电池放电5 min，其放出容量约为30 Ah，需要补充电时间为T补30=(C放电5/I充)×60=(30/60)×60=30 min。
通过计算分析，电池需充电12 min才能补充回该UPS系统切换一次电池放电2 min所放出的电量，充电30 min才能补充回该UPS系统切换一次电池放电5min所放出的电量。电池放电2～5 min后补充电需要12～30 min，本案例中在进行第3次切换时电池才充电约5 min，没能将电池容量充足就进行大电流放电，最终导致切换时电池电压迅速下降，产生UPS掉电故障。根据表1，通过计算分析得出在切换中因电池大电流放电，其放出的电能容量远远低于额定容量C10。若市电油机系统在短时间内连续多次切换，UPS电池在连续多次大电流放电后未能及时补充电，则短时间内电池组电压会迅速下降，导致电池放电中止，产生UPS无输出掉电故障[3-5]。
表1 电池容量系数关系
4 切换间隔分析
每次切换操作时，UPS电池均要进行充放电。在市电油机切换间隔时间内，电池给负载供电，切换完成后由油机或市电给电池充电。短时间内连续多次切换操作时，充电时间不够，电池未充足电就放电，导致电池容量严重不足，倒换时电池电压迅速下降，从而出现UPS掉电情况。本案例中第1次市电切换为油机供电后，油机给电池充电时长约136 min；第2次油机切换回市电后，市电给电池充电约5 min后就迅速进行了第3次市电倒市电切换，电池充电容量严重不足，在大电流负载放电下电池电压迅速下降，从而出现故障。切换情况如表2所示。
表2 切换情况统计
一般市电油机切换操作能在5 min内完成，在不知道UPS电池性能恶化程度的情况下，为弥补这5 min内电池的放电量，通过理论推导计算并结合维护经验，一般要求UPS电池补充电高于30 min以上才能进行下次市电油机或市电倒市电切换操作。
5 结 论
综上所述，在进行通信电源系统市电倒油机、油机倒市电以及市电倒市电的操作中，要先确认后备电池组的性能情况，在电池组容量足够的情况下才能进行切换操作。如果在短时间内做连续多次切换操作时，切换间隔时间要求高于30 min，以使电池组补充到足够容量的电能，从而避免因切换间隔时间过短、电池组未能补充足够容量电能使市电油机切换产生UPS掉电故障。
