作为数据中心基础设施的核心,UPS等电源系统是业务连续性的最基础保障,而电池系统又是电源系统中至关重要的一环,电池系统的安全可控不仅是电源系统的最基本要求,也是数据中心安全的核心之一。
作为能量存储器件,电池(尤其是锂电)能量高,内阻低,短路危害大,因此电池系统必须配备完善的保护措施以规避过载或短路可能带来的风险。如何为电池系统配置适合的电气保护系统将是本文讨论的重点。
✦ 一、电池的电气保护系统概述
数据中心电源系统通常包含输入输出配电柜、电源本体(如UPS和各种直流电源)、电池开关柜、电池组等。无轮是铅酸蓄电池,还是当前势头迅猛的锂电池,完善配置电池组的外部保护系统都极为关键。
当前锂电池系统通常以包含BMS模块的整柜形式出现,BMS模块具有一定的电池监控与管理能力并自带断路器,相对铅酸蓄电池而言,其感知柜内电池的异常能力及单组电池的保护功能都已经被配置,但其多组并联时外部系统的保护方式同样会影响系统的完整性,不合理的配置依然可能带来严重的安全后果。而铅酸蓄电池系统为多个单体电池的串联,内部基本无保护措施,完全依赖于外部的监控或保护装置来维系其运行安全。因此为了完整地阐述电池系统的电气保护,本文将着重分析铅酸蓄电池的电气保护设计,其配置原则同样可以融合到锂电池系统中。数据中心电源系统本体(本文以UPS为例)和蓄电池间的系统结构示意如图1(单组蓄电池)和图2(多组蓄电池)所示:
无论是锂电池柜还是铅酸蓄电池组,在多组并联时,组间通常都无均衡措施。若并联组数过多就会导致电池组间出现不均衡现象,从而影响蓄电池的性能及运行寿命。实际应用中铅酸蓄电池的并联组数不宜超过四组,GB51194或T/CECS486等标准对此也有明确要求。受制于投资、场地空间的限制和已经配置了柴油发电机组,数据中心常见的电池配置为满载后备时间10～15分钟,对于数据中心普遍选择的500、600KVAUPS而言,基本就是配备3～4组200多安时的电池组并联(每组约40～50节12V电池串联)。3～4组的蓄电池组并联,一旦出现短路等极端情况破坏性会很强，这就要求UPS蓄电池系统的保护设计一定要做到严谨和完善。
实现蓄电池保护的器件主要有直流断路器和熔断器,部分高端UPS还自带了电池接触器。断路器(Circuit Breaker)是线路保护中最为常见的开关器件,它能接通、分断和承载额定电流;当供电回路出现过载或短路等故障电流时,能依据其保护特性在相应时间内完成分闸动作以断开回路,实现故障电流的截止。断路器的容量配置既要确保能承载额定负载的正常运行,又要确保故障电流出现时能提供及时的分断保护,即分断故障电流。为此,断路器需具备如下的基本条件:
1.故障电流低于断路器的极限短路分断能力,若超过则断路器无法完成有效分断,故障电流将一直持续,断路器可能会出现爆炸等极端现象,极易酿成更重大的事故。
2.线路实际电压低于断路器的额定工作电压,若超过则断路器无法完成有效分断,也有可能出现爆炸等极端现象。
3.应用于交流环境和直流环境的断路器存在较大区别。交流电的正弦波存在过零点,灭弧相对会更容易;直流电没有过零点,灭弧会更困难。蓄电池回路为直流电路,因此断路器必须选择符合直流应用条件的产品。
熔断器(Fuse)也是一种线路保护开关器件,当电流超过规定值一定时间后,以自身的热量使熔体熔化从而完成电路分断。熔断器具有良好的“安秒特性”,大电流出现时按照I2t的反时限保护方式快速完成熔断,在不超限的前提下,电流越大则熔断时间越短。熔断器的性能与精度等级相关,精度等级高的熔断器保护会更加精准。熔断器的配置同样需要关注其额定电压、额定电流、极限短路分断能力等。蓄电池采用熔断器保护时必须选择直流熔断器,且额定电压需高于线路直流最高工作电压。对于UPS系统而言电池熔断器通常选用直流750V规格;如果电池配置节数在40节(12V电池)以下,也可采用直流600V的电压规格。
UPS电源系统在蓄电池出现短路时可能会造成重大事故,因此关注蓄电池的短路成因,分析短路电流的构成,从而设置有效的预防措施就变得极为重要。下文将对UPS配套电池组在不同位置出现短路及对应保护措施做逐一分析。为了方便描述及理解,将电池分组开关作为电池组“内部”或“外部”的分界线,开关下端至整个蓄电池组的所有短路情况称作“电池组内部短路”;开关上端至UPS的所有短路情况称作“电池组外部短路”。需要说明的是,本文旨在分析电池出现大短路电流后的保护机制,未对电池单体内部短路原因及预防措施做过多阐述。
✦ 二、电池组内部短路的情况分析
2.1单节电池内部短路
单节电池内部短路主要表现为局部微短路,对外仅呈现出该单节电池性能下降,对UPS系统的供电影响不大。短路电流仅局限在单节电池内部,不会流过外部电池开关。单节电池性能下降后所引起的整组电池电压降低并不明显,多组电池情况下由于电池自身内阻的限制,并不会出现其余电池组为本组电池长时间大电流充电的情况。
2.2部分（或全部）电池串出现短路
当一节或多节电池成串被短路时(如电池漏液导致),短路电流将会在被短路的电池串中流动,该短路电流不会流过外部保护开关,因此没有装置会主动消除该短路电流。当持续短路导致电池极柱熔断后,电池组将被整体断开,短路电流消失。部分电池串短路示意图如图3所示。
蓄电池组内部出现短路时,外部的电池开关不会流过电池短路电流,也就无法提供保护。对于铅酸蓄电池而言,配置电池监控系统非常重要,通过对单节电池的电压、电流、内阻、温度等进行实时监测,能及时获知电池可能出现的异常,从而防患于未然。可喜的是:当前电池监控系统已经基本成为了数据中心电源系统的标准配置。
电池成串出现短路时,短路电流大,风险高,UPS应用中必须被重点关注。当仅配置单组电池时,UPS和电池串间仅一个保护开关,系统保护关系简单。多组电池情况下的相互制约会使得保护关系变得复杂。下文将以四组电池并联运行为例,分析不同短路情况下的影响及保护机制。
业内经常会听到这样的说法——在配置多组蓄电池的情况下,应配置电池主开关和分组开关,且主开关和分组开关间需具备选择性保护关系,即分路出现短路时仅分组开关跳闸,避免主开关“越级跳闸”。电池分路出现短路现象时是否真的可能“越级跳闸”呢?
图4模拟了多个电池成串被短路(短路点1)或电池组被整体短路(短路点2)时的情况。根据最短路径原则,短路电流仅会在电池组1内部流动,并不会流过外部的分组开关,也不会流过总开关,且总开关或分组开关是否断开并不会改变电池组正在经受大短路电流的现实。此时电池组1的蓄电池短路电流没有任何装置可以提供保护,直至电池极柱或铜排熔断回路被断开短路情况才会消失,该时间通常在1s~5s左右,且随着电池的逐步老化,熔断时间会逐步变长。
正常运行过程中各电池组并联运行,各分组开关均处于闭合状态,当电池组1在短路标记点1出现短路时,电池组1的整体电压降低,压差的出现导致电池组2、3、4会向电池组1放电。电池组1分组开关上流过的放电电流将会是其余三个分组开关的3倍。随着被短路电池串的节数增加,压差会逐步增大,放电电流会逐步提高,到短路点2的整组短路时,电池组2、3、4也会被短路,此时流过电池组1分组开关的放电电流(实际为短路电流)也将达到最大(如图5所示)。表1给出了12V-200AH蓄电池在配置4组,每组40节时,不同的电池短路节数对应的参考放电电流(考虑接触电阻及线缆阻抗,电池内阻按照3mΩ核算)。
当电池组1整组短路时,其余的各组电池也都被短路，从表1可见此时的故障电流已达12000安培，短路电流最大，危害也就最大，下文将着重讨论该种情况下的保护机制。
当电池组1出现整体短路时,分组开关1流过的短路电流并不来自对应的电池组1,而是来自于其它电池组,分组开关1经受的短路电流是另三个分组开关的3倍。如果分组开关的脱扣特性合理,电流越大动作时间越短,3倍短路电流情况下能实现先保护动作,分组开关1提前分断后将短路点隔离,2、3、4电池组的短路情况消失,可继续为UPS提供后备;如果分组开关保护选择性不好,则可能出现所有分组开关同时分断的现象,此时单组电池短路将导致所有电池组脱离UPS系统,此现象与“越级跳闸”结果相同,但却并不是越级跳闸。
以500KVAUPS配置4组12V-200Ah蓄电池为例,选择某国际知名品牌的直流断路器,主开关1200A,分组开关400A,保护曲线如图6所示。根据前述,当电池组1出现整组短路时,分组开关1上流过的短路电流将达12000A,此时的短路电流达到了开关额定运行电流(Ir)的30倍,从图6可以看出,断路器早已进入了瞬动范围,脱扣时间<20ms。而对于2、3、4分组开关而言,4000A短路电流也达到了额定运行电流的10倍,也早已进入了瞬动范围,脱扣时间<20ms。同样的20ms内都必须跳闸,谁先动作很难预判,所有开关可能出现同时跳闸。
即便分路采用了直流断路器,且额定电压也符合要求,但因为开关的短路保护曲线范围窄,保护起始点低(如图6的直流断路器在2.5倍即进入短路保护),无法拉开不同短路电流对应的动作时间差距,分路出现短路时所有分组开关可能都跳闸,从而导致所有电池组脱离UPS系统,UPS失去后备能力。为了降低上述风险,分路直流断路器应尽量选择保护曲线范围宽,且保护起始点相对高的器件,以尽可能加大动作间隔时间,促使短路分路所对应的断路器更先保护跳闸,实现短路点隔离。
对于分组开关而言,其实还有一个更好的选择——直流熔断器。直流熔断器的反时限保护动作时机清晰,电流越大分断越快。以FLZ系列直流熔断器为例,保护曲线如图7所示。4000A对应的分断时间约为1.5ms,而12000A对应的分断时间会缩短到0.15ms,分断时间相差10倍。足够的时间差促使短路电池组对应熔断器会先断开,其余分路电池组短路电流将随之自动消失,不会出现所有电池退出系统的情况。
采用熔断器方案需要考虑分组维护的便利性,建议采用可插拔熔芯带底座的熔断器,或者分路采用负荷隔离开关加熔断器方式。负荷隔离开关加熔断器方式保护可靠,也利于维护。
图4的短路情况危害极大,本组的短路电流不会流过对应的外部电池保护开关,直至电池内部发生熔断才能断开回路。正如前面提及的,设置电池监控系统非常有必要,只有实时监测单节电池的运行状况,才能及时获知电池可能出现的异常,从而及时发现问题,杜绝隐患。
事实上,单组电池短路也会导致UPS充电器短路。如果UPS正处于放电状态,短路发生时UPS系统将转旁路以维系负载的继续供电;如果UPS正处于充电状态,则保护机制将与UPS机型及设计理念相关。在充电情况下发生上述短路时,充电器的短路电流同时流经主开关和分组开关,路径如图8所示。如果UPS充电器自身不具备硬件限流措施(如工频机,需要在市电过零点时关断),瞬时短路电流会很大,主开关和分组开关之间就需要具备选择性配合关系,分组开关要先于主开关分断,否则主开关保护断开会导致所有电池脱离UPS系统,出现真正的“越级跳闸”。当然,如果短路电流足够大,即便考虑了充足的选择性,主开关也难以避免保护断开。
与前述情况不同,有些UPS充电器具备完善的硬件限流措施,上述短路电流出现时充电器会将回路电流钳定在额定最大电流(最低电池电压下,额定功率对应的最大电流值),不会出现超出范围的大电流,开关就不会执行分断动作,也就不会出现“越级跳闸”。如果短路情况持续存在,经过一段较长的甄别期,系统将自动关闭充电器。
值得一提的是,现在某些UPS的输入市电整流与电池放电回路共用,其间采用机械或电子开关进行切换,这样的设计尽管能省去电池放电变换器,降低UPS的制造成本,但是在某些市电断电情况下,可能导致较长的切换间隙,从而导致UPS从市电双变换模式转为电池逆变放电模式时,出现较大的冲击电流,该电流冲击可能导致电池开关误动作,从而引起负载掉电。某品牌UPS在云南某金融用户机房就出现过该种类似供电事故——因市电断电,UPS转电池时冲击电流导致电池开关跳闸,从而引起负载供电中断,需要引起警示。所以UPS充放电器的独立设计并具备完善的限流措施是非常重要的。数据中心UPS所担负的责任重大,只有确保了UPS技术的先进性和保护机制的完善性,才能保证数据中心的持续安全运转。
其次,业内有部分厂商给用户推荐的UPS电池开关柜配置方案是:“主开关采用直流断路器、分组开关采用负荷隔离开关”。负荷隔离开关不具备保护功能,当单个电池组出现短路时,并联运行的各电池组因不具备保护措施将持续被短路,短路电流不仅流过电池内部,还会波及到电池组外部的开关和线缆,后果也是不堪设想的。不论是单组还是多组蓄电池,离电池最近的开关必须具备保护功能!
✦ 三、电池组外部短路的情况分析
3.1短路出现在分组开关与主开关之间
图9展示了在多组电池情况下,分组开图8单个电池组短路时UPS充电器的短路分析关与主开关之间出现短路的情况。各电池组均被短路,短路电流流过各分组开关。不论开关采用何种方式,也不论保护特性如何,只要对应电池分组开关具备保护功能则迟早会断开,电池整体脱离UPS系统。同样的情况,如果分组开关采用的是不具备保护功能的器件,如负荷隔离开关,则各电池组的短路将没有任何的保护措施,事态将快速恶化。
与此同时UPS充电器也被短路,不具备限流能力或限流功能不足的UPS机型其主开关会因大电流的存在而快速保护断开,但主开关的断开已经不会产生额外的影响,所有电池已经因持续短路而脱离UPS系统。
3.2短路出现在UPS直流输出侧
如果短路点出现在UPS的直流输出侧(图10所示),如UPS电池连接端口至电池组总开关间的线缆出现短路,分组开关和主开关均流过蓄电池短路电流,主开关或分组开关谁先分断已经没有实际意义了,尽快保护将短路点隔离是关键。
该短路也会导致UPS充电器被持续硬短路,此时对UPS充电器的限流能力或保护能力就是极大的挑战。如果UPS自身的硬件限流能力不足,或者UPS内部保护机制不够完善,持续的大短路电流可能导致UPS出现炸机等极端现象。
✦ 四、蓄电池保护系统设计基本原则
为UPS蓄电池系统制定安全可靠的保护策略是数据中心建设之初就必须重视的，基于前面的分析，数据中心电池系统保护的设计需遵循下列原则:
1.多组蓄电池情况下分组开关必须采用直流熔断器或直流断路器。直流熔断器具有良好的反时限保护特性,具有更好的选择性,应该作为优选方案。采用熔断器方案需要考虑维护的便利性,若不能实现熔芯的可插拔维护则分路需要加装负荷隔离开关。
2.若分组开关采用直流断路器,选型容量不能过大,过大可能导致保护不及时致使电池损坏;也需要考虑断路器间的保护配合关系——比如分组断路器全部采用了定时限方案,或者断路器脱扣曲线的短路保护起始点不够高,则可能因短路电流足够大导致单组短路时所有分组开关跳闸.
3.分组开关不能采用隔离开关,否则单组电池短路或主开关与分组开关之间出现短路时，所有电池均被短路却没有保护措施。
UPS充电器良好的限流能力有助于规避电池短路导致负载宕机的风险。对于具备良好限流能力的UPS机型,多组电池情况下主开关可以采用负荷隔离开关;对于限流能力不足的UPS机型，主开关只能采用直流断路器或直流熔断器。主开关配置容量不宜太小，尽量与UPS容量匹配。
主开关作为短路保护开关和应急时的一次性切断操作开关,由于电压高、电流大,同时性、安全性要求高，不宜采用两个开关并联扩容的简配方式。
保护开关应尽量靠近电池侧,以实现完整的线路保护。
保护开关的额定工作电压需高于线路实际运行电压,否则电压应力超过其规格后会导致无法正常分断,且存在爆炸的风险。
电池监控系统的重要性:锂电池通常配备了完善的电池监控,内部也标配了保护开关,在电池侧的应用相对简捷。铅酸蓄电池内部无保护机制,自身出现短路时危害大且难以及时断开,电池监控系统是防范铅酸蓄电池失效或预防出现极端情况的有效工具。当前数据中心项目普遍采用的仍然是铅酸蓄电池,需要配置电池监控系统。
选择具有良好充电限流能力的UPS:UPS的安全设计也会极大影响蓄电池的应用安全,如伊顿9395、93E、93PR等各系列UPS机型均具备完善的电池保护机制,充电器良好的限流能力能给蓄电池保护带来极大的安全保障。在外部电池组出现短路时UPS通过硬件限流将内部短路电流限定在安全范围以下,不会使短路问题泛滥。与此同时,UPS能及时提供电池故障的报警信息,将外部正在经受的电流冲击告知用户,良好的报警功能给运维提供了便利。
部分UPS还在UPS的电池回路输出端口设置了直流接触器开关来实现故障容错,以便在UPS电池端口以外地方(最常见的是电池本体和电池开关箱母排)短路时,主动实现故障的机械断点隔离,双重预防短路事故的进一步扩大和确保关键负载的持续运行。
✦ 五、结论
综上所述,数据中心电源本体电池保护功能与电池系统保护设计的融合与完善性影响着数据中心的运行安全。数据中心建设者首先需要认真了解所选电源本体(如UPS)的电池保护护功能与机理,尽量选择保护功能相对完善的UPS,并依此构建电池系统的安全保护;其次,在UPS完善设计的基础上,要求电池开关配置必须具备完备的保护策略,电池主开关可以采用直流负荷隔离开关(对于充电器限流保护功能不全的UPS机型,主开关必须采用直流断路器),而分组开关必须采用保护曲线范围宽且保护起始点相对高的直流断路器,或安秒特性表现更好的直流熔断器,以尽量规避各种电池短路可能带来的风险。第三,单体电池监控系统是数据中心蓄电池应用必不可少的环节。数据中心建设着只有牢牢地把握电池保护系统中的上述关键环节,数据中心运营才能长治久安。
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