機房保障電源系統(tǒng)鉛酸蓄電池漏液隱患分析和排查方法
摘要：對數(shù)據(jù)中心供電保障系統(tǒng)鉛酸蓄電池組漏液短路故障隱患的起因、后果進行了分析,提出了一種利用絕緣監(jiān)察檢測蓄電池組漏液短路的排查方法。
1 故障案例、原因分析及危害性
(1)蓄電池電氣短路故障案例
數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的主要作用是確保數(shù)據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)設備的供電不中斷,確保信息通信網(wǎng)絡的暢通。近年來,數(shù)據(jù)中心因電氣短路造成UPS系統(tǒng)供電中斷甚至機房起火事故并不少見。其中,UPS系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池組漏液導致的電氣短路事故占了很大一部分,是引發(fā)供電故障最不可忽視的致命隱患。
①案例報告一
某日23時50分動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某局站一組-48V閥控密封鉛酸蓄電池(2008年投入使用)標示高溫告警(365℃),次日0時40分搶修人員到達現(xiàn)場后,發(fā)現(xiàn)蓄電池室和相鄰的電力室已經充斥大量有毒煙霧,搶修人員無法進入機房,機房溫度持續(xù)升高。為防止故障進一步升級,經風險評估并報告主管領導后,1時50分切斷了該局電源系統(tǒng)的交流輸入。故障最終導致該局幾千個寬帶接入用戶和語音業(yè)務用戶及17條大客戶通信中斷。事后經分析論證,基本確定故障原因是蓄電池單體內部短路或殼體滲液與電池架短路而引發(fā)。
②案例報告二
2005年某省通信網(wǎng)絡業(yè)務軸承系統(tǒng)接入網(wǎng)機房發(fā)生火災事故,燒毀蓄電池組及其附近的電纜、入戶木門、空調等物品,造成通信中斷時間長達17小時35分。原因為蓄電池的漏液導致電氣短路,引起高溫,長時間的持續(xù)高溫引燃蓄電池ABS塑料外殼,導致火災發(fā)生。
圖1是蓄電池電氣短路引發(fā)火災的情況。
(2)蓄電池組漏液短路的危害性
①蓄電池組屬于直流電源,其電路故障危害性比交流電源要大
一般情況下,發(fā)現(xiàn)電氣短路起火時,首先要切斷電源。對于交流電源而言,由于電能自上而下地來源于市電電網(wǎng)或柴油發(fā)電機組,當發(fā)生電氣短路故障時,總會有一級保護器件產生動作,及時切斷短路的電氣電路。而當蓄電池組位于電源供電系統(tǒng)的末端,電能是自下而上提供的,只要越過了直流總配電屏的保護熔絲或蓄電池組的保護斷路器,則不會再有其它的保護。發(fā)生短路故障時,往往無法有效地切斷短路的電氣電路。加上直流電流不像交流正弦波,它沒有過零點時的瞬間電動勢為零的過程,一旦發(fā)生電氣短路極易引起蔓延。而發(fā)生短路后的阻抗僅取決于導線線阻和蓄電池組的內阻,短路電流近似為無窮大。因此,蓄電池組直流電氣短路的危害程度遠大于交流電氣短路。
②導致網(wǎng)絡中斷事故
數(shù)據(jù)中心的供電保障系統(tǒng)是保證網(wǎng)絡設備供電不中斷的核心系統(tǒng),后備蓄電池組是網(wǎng)絡的應急供電能源之所在。在直流240V供電系統(tǒng)中,蓄電池組是直接并聯(lián)在整流器輸出端的直流供電回路中,正是由于有后備蓄電池組的存在,市電停電或交流側發(fā)生電氣短路中斷時,并不會直接導致通信網(wǎng)絡的供電中斷。同樣,在交流UPS系統(tǒng)中,只要逆變器及后續(xù)電路正常工作,后備蓄電池組就能夠發(fā)揮作用。然而,若蓄電池組發(fā)生電氣短路,必然造成電源系統(tǒng)的輸出電壓瞬間跌落,引起負載設備掉電,導致網(wǎng)絡中斷故障,嚴重影響信息通信的暢通。
③引發(fā)機房火災
發(fā)生蓄電池組電氣短路后,若不能及時發(fā)現(xiàn)和切斷回路,則必然引起火災。蓄電池組的電量越足,危害性也越大。
(3)蓄電池電氣短路的原因
常見的蓄電池電氣短路甚至起火的原因一般有以下幾點:
①蓄電池本身質量有問題,樁頭與極板連接有隱患;
②蓄電池在運輸或安裝時,殼體出現(xiàn)裂紋而沒有及時發(fā)現(xiàn),安裝后蓄電池內部酸液析出通過電池架電氣短路;
③蓄電池與電纜連接不牢,造成接觸電阻過大,溫度升高后接觸面氧化嚴重,進而造成接觸電阻繼續(xù)變大,相繼引起電氣打火甚至拉弧,最終引燃附近可燃物造成起火;
④蓄電池組的連接電纜耐壓值不夠,造成電纜間的絕緣擊穿,造成電纜短路起火;
⑤蓄電池配置不合理,超出蓄電池放電極限;
⑥蓄電池連接電纜在出入電池架處被電池架鐵皮劃破絕緣層發(fā)生短路;
⑦蓄電池充電電流過大或電壓過高造成蓄電池過充發(fā)熱,正負極板變形彎曲從而起火;
⑧蓄電池組的外部連接電纜或內部連接電纜因使用時間過久而絕緣老化,未及時檢查更換處理,造成電纜間或電纜與電池架間產生短路。
從理論上分析,發(fā)生故障的根本原因是蓄電池組或單體通過導電體(例如電解液、電池架、導線等)或直接形成了正負極之間的回路,產生了漏電流或電氣短路。
(4)常用防范蓄電池漏液電氣短路措施和不足在上述各種蓄電池組電氣短路的起因中,蓄電池漏液造成對電池架短路或絕緣度下降,造成正負極通過電池架間接短路,一直是發(fā)生幾率較高、最難以判斷和發(fā)現(xiàn),但后患卻非常嚴重的疑難故障。
目前,對于這類故障隱患的防范措施或多或少都有一些不足,如:
①蓄電池底部增加托盤——托盤可燃;
②電池架增加電木板墊片——不能避免電解液的漫延;
③電池架對電氣地絕緣——不易實施且不符合安全規(guī)范;
④蓄電池室安裝煙霧告警系統(tǒng)——不及時。
2 絕緣監(jiān)察的工作原理
現(xiàn)行在用的高于安全電壓的直流電源系統(tǒng)(例如電力操作電源、通信用240V直流供電系統(tǒng)等)都要求采用直流回路對地懸浮工作方式,并設置有絕緣監(jiān)察(Insulation Monitoring)功能系統(tǒng)。
所謂絕緣監(jiān)察,是指在直流供電系統(tǒng)中,對直流輸出與地的絕緣性能進行檢測,判斷是否發(fā)生接地故障或絕緣性能降低。當發(fā)生故障或絕緣性能劣化時發(fā)出告警。
絕緣監(jiān)察功能主要通過檢測直流供電回路中電壓和電流來實現(xiàn)對地絕緣電阻檢測的。其中,電壓檢測技術主要是由絕緣監(jiān)察來實時監(jiān)測正、負直流母線的對地電壓,通過對地電壓計算出正負母線對地絕緣電阻。當絕緣電阻低于設定的報警值時,發(fā)送出告警信號。
由于母線對地絕緣電阻檢測方法中的測量對象是直流回路上的電壓,而不管在系統(tǒng)的直流回路中任何一點發(fā)生接地故障或絕緣度下降,都會引起系統(tǒng)母線電壓的變化。因此就能夠迅速地在絕緣監(jiān)察系統(tǒng)中反映出來。
在通信用240V直流供電系統(tǒng)中,絕緣監(jiān)察的電壓檢測主要有以下兩種方式:
(1)平衡橋電阻檢測法
平衡橋電阻檢測法主要用于母線絕緣的檢測,是在系統(tǒng)分別對正負極接入一對高阻R1、R2(約100kΩ),兩個電阻阻值相等,如圖2所示。在正常情況下,RX=RY≈∞,U1=U2。當系統(tǒng)發(fā)生一極接地故障時,例如正極接地,即RX≠∞,RY=∞。此時,R1、R2的電壓降U1、U2將發(fā)生改變,系統(tǒng)根據(jù)兩個電壓降變化的幅值,即可判斷系統(tǒng)發(fā)生了絕緣故障。同時,可以通過下列公式來計算RX的大小:
通過測量U1、U2電壓,即可計算出接地電阻RX。
同理,也可發(fā)現(xiàn)負極接地,即RY≠∞的情況。
平衡橋電阻檢測進行絕緣監(jiān)察的方式的優(yōu)點是簡單、響應速度快。由于只檢測電壓,只要U1和U2超過預設的壓差,立即可判斷系統(tǒng)的絕緣出現(xiàn)故障了。因此,可以實時地檢測到直流回路中“非對稱性”的正負極絕緣狀況。但是,這種方式的缺點也是非常明顯的,當正負極母線絕緣度同時下降且接地電阻相差不大,即出現(xiàn)“對稱性”的絕緣度下降時,由于此時U1≈U2,壓差達不到告警值,系統(tǒng)就不能發(fā)現(xiàn)絕緣出現(xiàn)故障。
(2)投切電阻檢測法
為了解決平衡橋電阻檢測法的不足,可以采用投切電阻檢測法。具體原理如圖3所示,與平衡橋電阻測量法相比較,增加了R3、R4,通過開關K1與K2輪流分斷。單極接地的情況和平衡橋的類似,這里就不在重復說明了。我們來看當RX=RY≠∞的情況。
當K1合上,K2斷開時
當K1斷開,K2合上時
由式(1)和式(2)求得RX和RY(具體計算過程略)。
工作過程:K1和K2定期輪流導通,分別記錄U1和U2,然后計算出RX及RY,當發(fā)現(xiàn)RX及RY小于預設告警值,即觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)出告警。
這種方法可以解決平衡電橋的缺點,能夠發(fā)現(xiàn)正負極同時發(fā)生絕緣的故障。
3 對蓄電池組實施絕緣監(jiān)察的條件和可行性
(1)對蓄電池組實施絕緣監(jiān)察的條件
從本質上說,蓄電池組電氣短路是一種正負極之間絕緣度下降的極端形式,而對于蓄電池漏液造成的電氣短路,必然是正負極之間或者其對電池架(接地)的絕緣度下降。因此,借助絕緣監(jiān)察的檢測原理,是可以實現(xiàn)對蓄電池組漏液的檢測。
從絕緣監(jiān)察的工作原理可知,實施絕緣監(jiān)察的前提條件是蓄電池組對地懸浮工作,即蓄電池組的正負極回路(包括充放電電路)均不接地。
(2)對蓄電池組實施絕緣監(jiān)察的可行性
目前,采用蓄電池組作為后備電源的電源系統(tǒng)主要有直流240V電源系統(tǒng)和交流UPS電源系統(tǒng)。
這些電源系統(tǒng)及其蓄電池組接地情況見表1。
我們可以分別不同的情況進行具體的分析:
①對于表1中第1種情況的240V直流供電系統(tǒng),由于本身就要求對地懸浮工作,并配備有絕緣監(jiān)察系統(tǒng)功能,而蓄電池組是并聯(lián)在直流輸出回路中使用的,其正負極同樣必須是對地懸浮。通過系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察功能,可以發(fā)現(xiàn)整個直流回路中的絕緣度下降,因此同樣也可以直接檢測蓄電池組漏液引起的絕緣度下降情況,并直接產生告警。如圖4所示。
蓄電池漏液告警與直流回路其他絕緣監(jiān)察告警的區(qū)分,可以在排除了誤告警的可能性后,通過對母線電壓和支路漏電流的綜合分析即可以判斷出來,如表2所示。
②對于表1中第2種情況的交流UPS系統(tǒng),可以確認蓄電池組是對地懸浮工作,正負極均不接地的。類似于表1中第1種情況,只要增加配備絕緣監(jiān)察功能或利用便攜式的絕緣監(jiān)察測試儀,就可以檢測蓄電池組漏液引起的絕緣度下降情況,并直接產生告警。如圖4所示。
③對于表1中第3種情況中的交流UPS系統(tǒng),如果交流UPS系統(tǒng)中蓄電池組的中心抽頭與系統(tǒng)中性線連接,但保護地線不連接或呈高阻狀態(tài),則完全可以按照表1中第1、2種情況來判斷。因此,可以首先進行零地線是否連接的檢測和判斷。如圖5所示。
④對于表1中第4種情況,如果交流UPS系統(tǒng)的蓄電池組有中心抽頭連接中性線且與保護地線有連接或呈低阻狀態(tài),則需要將蓄電池架進行對地絕緣處理,或利用蓄電池組的近端保護開關將蓄電池組的中間抽頭與UPS系統(tǒng)分離。在蓄電池架不接地的情況下,即可按照表1中第1、2種情況來判斷。如圖6所示。
4 對蓄電池組和蓄電池架的接地要求
(1)對蓄電池組接地的要求
綜合上述分析,從利用絕緣監(jiān)察功能實現(xiàn)對蓄電池組漏液絕緣度下降檢測的角度出發(fā),對蓄電池架的接地與否應視不同情況有不同的要求(如表3所示):
①對于蓄電池組正負極不接地的240V直流系統(tǒng),蓄電池組正負極不接地且無中間抽頭或中間抽頭僅接中性點而不接地的交流UPS系統(tǒng),即表1中第1～3種情況時,蓄電池架必須可靠接地;
②對于蓄電池組正負極不接地但有中間抽頭且接地的交流UPS系統(tǒng),即表1中第4種情況時,蓄電池架不應接地并保證與地面做絕緣。
(2)蓄電池架對地絕緣的實施方法
①必須保證蓄電池架沒有任何一個接地點;
②蓄電池架支腳與地面之間、支撐與墻壁之間必須加絕緣墊片;
③蓄電池架的固定螺栓不得采用金屬膨脹螺栓,應使用塑料的內膨脹螺栓,并確保金屬部件對地的絕緣。如圖7所示;
④蓄電池架與電纜走線架絕緣。
5 蓄電池組漏液檢測的設置、排查和分析判斷
(1)蓄電池組漏液檢測可以有固定式和便攜式兩種形式
①蓄電池組正負極不接地的240V直流系統(tǒng)(即表1中第1種情況),可以直接通過完善系統(tǒng)絕緣監(jiān)察功能的方式實現(xiàn)對蓄電池組漏液的在線檢測;
②同樣,蓄電池組正負極不接地且無中間抽頭或中間抽頭僅接中性點而不接地的交流UPS系統(tǒng)(即表1中第2、3種情況),可設置固定式的蓄電池組漏液檢測裝置實現(xiàn)對蓄電池組漏液的在線檢測;
③電池組正負極不接地但有中間抽頭且接地的交流UPS系統(tǒng)(即表1中第4種情況),可以利用便攜式蓄電池組漏液檢測儀定期對蓄電池組進行巡檢。
(2)安裝固定式蓄電池組漏液測試裝置或開始對蓄電池組進行巡檢前,應測試并確認蓄電池組為對地懸浮工作狀態(tài)。即滿足下列幾點:
①蓄電池組正負極均不接地;
②蓄電池組的充放電回路對地絕緣或隔離;
③有中間抽頭的蓄電池組,其中性點不接地或對地呈高阻狀態(tài);
④對于有中間抽頭且中性點接地的UPS系統(tǒng)蓄電池組,可通過將電池架對地絕緣,或利用蓄電
池組的近端保護開關將正負極與電源系統(tǒng)分離的方式,確保其對電池架的絕緣。
(3)蓄電池組漏液告警應定義為重大告警。當出現(xiàn)告警時,應及時派維護人員到現(xiàn)場排查
(4)對于240V直流電源系統(tǒng),當出現(xiàn)絕緣監(jiān)察告警時,如僅有總母線電壓告警而沒有分支路漏電流告警,在排除誤告警的可能后,應考慮為蓄電池組絕緣度下降引起的告警
(5)多組蓄電池組(n=1～4)并聯(lián)的情況
①當n=1時,蓄電池組漏液告警即為唯一的一組蓄電池為疑似故障蓄電池組;
②當n>1時,可以逐組斷開蓄電池組的近端保護開關,斷開后系統(tǒng)告警隨即消失時,該組蓄電池組即為疑似故障蓄電池組。
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作者簡介
侯福平,中國電信股份有限公司廣州研究院高級技術經理、高級工程師、中國通信學會高級會長、中國通信學會電源專業(yè)委員會委員、中國電源學會高級會員。