基于交流放电的UPS电源蓄电池性能测试方法研究

0 引言

大型UPS电源广泛用于通信机房、指控系统、测试厂房等特别重要的负荷中，在紧急情况下其能支撑的负载应急工作时间由蓄电池决定。因此有必要定期测试蓄电池的性能。文献[1-4]，对电力工程和通信开关电源等直流电源系统用的蓄电池性能测试作了规范。测试时，直流放电测试负载(以下简称直流负载)对蓄电池恒直流放电，并记录放电电流、放电时间、单体蓄电池端电压、环境温度等参数，通过放电电流与放电时间的乘积得出蓄电池的实测容量，经修正后，与规范的容量对比，评估蓄电池的性能。这种直流放电测试方法，直流负载的直流放电电压范围必须与蓄电池的配置相一致，试验前还需要连接大量的测试电缆，试验结束后再将其拆除，测试工作繁琐[5]。利用UPS电源将蓄电池的直流电转化为交流电的特性，采用交流测试负载测试蓄电池性能。通过UPS电源主机相关系数换算出交流负载大小，在放电过程中还需要记录蓄电池放电电流、单体蓄电池端电压和环境温度等参数，综合数据计算分析，判断蓄电池性能。本文将详细阐述该方法原理，并进行试验。

开启裂缝指不具有成岩物质填充的裂缝，其识别标志是沿裂缝存在氧化染色或李泽冈环带。在薄片和扫描电镜照片中，开启裂缝很少变形。开启裂缝的渗透率与原始裂缝宽度、原始有效应力沿破裂面法线的分量、破裂面的粗糙度及接触面积有关，是岩石基质粒度分布的函数。在具体求取裂缝岩心的宽度时常使用薄片分析法（图6、7），微裂缝的开度主要在镜下用薄片法进行统计分析［3］。

1 蓄电池交流放电测试原理

1.1 容量计算

1.1.1 蓄电池容量系数

为了检验蓄电池的实际容量，以规定的放电电流进行恒流放电，电池达到规定的放电终止电压即停止放电，根据放电电流和放电时间计算出蓄电池的实际容量。

根据需要定义四个参数：QT为当环境温度为T时的蓄电池实测容量，Ah，是放电电流I(A)与放电时间T(h)的乘积；Qe为在基准温度25 ℃条件时的蓄电池容量，Ah；Qt为t小时率额定容量，Ah；一般蓄电池额定容量用10小时率容量Q表示(环境温度为25 ℃)；It为t小时率放电电流，那么Q=10I10[4]。那么定义蓄电池不同小时率的容量系数为

 

(1)

可得出，铅酸蓄电池不同小时率放电电流、放电容量系数与放电终止电压见表1所示[3-4]。

 

表1 额定电压12 V的铅酸蓄电池放电容量系数η表

  

电池放电小时数/h放电电流放电系数防酸电池阀控电池防酸电池阀控电池放电终止电压/V0.57.0I109I100.350.4510.215.0I105.5I100.500.5510.523.05I103.05I100.610.6110.832.5I102.5I100.750.7510.841.98I101.98I100.790.7910.861.47I101.47I100.880.8810.881.18I101.18I100.940.9410.8101I101I101.001.0010.8

1.1.2 交流放电测试负载功率计算

将修正后基准温度下的蓄电池容量Qe实与t小时率容量ηtQ比较，两者相近，说明蓄电池容量没有下降，性能保持较好；当Qe实只有ηtQ的80%时，蓄电池容量损失较大，应对蓄电池作更换处理[1]。

P=N·n·U·It·μcosθ

(2)

式中：nU为蓄电池组直流电压；cosθ为UPS电源的功率因素。测试过程中，蓄电池电压会不断下降，为了使蓄电池恒流放电，需不断降低交流测试负载的大小。

1.1.3 实际放出容量估算

放电测试期间要测量单体蓄电池端电压、直流放电电流及环境温度。一般10 h率容量试验的测量时间间隔为1 h，3 h率容量试验的测量时间间隔为0.5 h，1 h率容量试验的测量时间间隔为10 min；在放电末期应随时测量，以便确定测试时间和放电末期蓄电池的电压[4]。则实际放出容量为

 

(3)

式中：为每组蓄电池的平均放电电流；t实为蓄电池实际放电时间。

1.2 性能评估

1.2.1 容量换算

蓄电池放电时，如果温度不是25 ℃，则需将实测容量按式(4)换算成25 ℃基准温度下的容量[2-4]

Qe实

(4)

式中：α为蓄电池温度系数(1/℃)，10 h率容量试验时，取α=0.006；3 h率容量试验时，取α=0.008；1 h率容量试验时，取α=0.01。

1.2.2 性能判定

若UPS电源蓄电池配置为N组、每组n块、单体蓄电池电压U，主机逆变效率为μ。现蓄电池预做t小时率容量试验(也叫核对性放电[1])，蓄电池以It恒流放电，则经过UPS主机逆变后的交流负载初始功率为

2 交流放电测试试验

2.1 交流测试方法物理连接

测试临近结束时，应迅速做好测试收尾工作，等待交流负载停机；停机后，蓄电池转为充电状态。

  

图1 交流负载测试连接示意图

2.2 交流负载参数设置

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现某测试厂房于2016年9月安装160 kVA UPS电源1套，主机为伊顿9390[6]，蓄电池为西恩迪CD12-100LBT。该UPS电源的蓄电池是阀控式铅酸蓄电池，配置为2组×40块×100Ah×12V。交流测试负载采用本单位研制的ACTL90A交流电源智能测试负载(以下简称“交流负载”)，最大测试功率为90 kW，最小步进功率1 kW。该交流负载采用独立的220 V电源作为工作电源，同时具备以蓄电池组直流电压和直流电流为输入控制条件，通过测量蓄电池的电压或电流控制交流负载继续加载或卸载。测试前，连接好交流负载工作电源，将测试线、蓄电池组直流电压测量线和直流电流测量传感器与UPS电源做好相应连接，测试连接示意图如图1所示。

根据式(3)可得，第一组蓄电池放出容量为41.9 Ah，第二组为42.5 Ah；按式(4)换算成基准温度下的容量分别为42.3 Ah，43.2 Ah。按(1)式可得，理想情况下应放出容量为55 Ah(0.55×100 Ah)。测试结果与理想值相差较大，也没有达到1小时率容量的80%，即44 Ah。

2.3 数据记录

设计思维需要思考问题及问题的解决，但对问题及问题解决的思考是以达成更高层次的目标为基础的，要跳出原有问题解决的模式，进入更高层次的目标实现方案的设计中。

测试前24 h，蓄电池已经进行了一次完整的放充电。测试还需使用数字钳形表、数字万用表和环境温度计，分别用于测量蓄电池直流放电电流、单体蓄电池端电压和环境温度。其中直流电流和环境温度测量时间间隔为5 min，测量数据如表2所示。

静态下(切断UPS电源输入和输出)，单体蓄电池端电压在13.66～ 13.81 V之间；测试开始1min后的端电压在12.21～12.45 V之间，个体差异不大；测试20 min后的端电压在11.76～ 12.18 V之间，个体差异开始显现；临近测试结束(主机显示剩余工作时间为5 min)的端电压在(7.72～11.47)V之间，差距较大，将本次采集的数据列于表3，其中数值低于10.50的加粗表示。

测试按1 h率容量试验进行，则每组蓄电池的直流放电电流为55 A。将UPS电源主机逆变效率0.94和功率因素0.9两参数输入交流负载的控制面板，同时设置控制总直流电流110 A(直流母线上的电流值)、测试停机直流电压420 V(40×10.5 V)。参数设置完毕后，选择交流负载工作在“自动加载”工作模式，则系统会根据式(2)计算值自动加载相应的功率。测试过程中，交流负载实时测量蓄电池组直流电压和总直流电流，随着直流电压的降低，为了确保蓄电池以110A总直流电流放电不变，交流负载功率会实时自动调整(卸载部分功率)。

 

表2 直流电流和环境温度测量记录

  

时间t/min总直流电流/A第1组蓄电池/A第2组蓄电池/A温度T/℃1110.555.155.422.05110.555.055.522.010110.554.955.622.515109.054.154.922.520109.054.154.923.025109.954.555.423.530109.354.155.224.035109.554.055.524.540110.854.656.225.045110.554.256.325.546109.853.8056.025.5t实=46I-=109.9I-1=54.4I-2=55.5T实≈23.6

2.4 数据处理与分析

底板剪应力分析结果见图16，由于剪力滞效应的存在使得截面进入塑性阶段的过程较为缓慢，同时，底板在未进入塑性阶段之前的剪力相差较小，进入塑性状态后，截面剪力的绝对值增量幅度明显增大。

从表3可以看出，临近测试结束两组蓄电池中共有28块(第一组13块，第二组15块)蓄电池电压偏低；在电压偏低的蓄电池中，第一组数据分散严重，其中有3块蓄电池电压低于9.0 V，最低为7.72 V，“拖后腿”现象严重。该UPS电源安装时间不长，蓄电池性能下降严重，查阅该装备管理档案及蓄电池合格证发现，有一半数量的蓄电池安装之前在库房存放时间将近半年。分析该蓄电池性能下降的原因，长时间存放使蓄电池极板表面逐渐产生硫酸铅结晶体(一般称之为“硫化”)[6]，堵塞极板的微孔，阻碍电解液的渗透，降低了极板中活性物质的作用，内阻增加，导致容量下降。

 

表3 单体蓄电池端电压测量记录

  

蓄电池序号单体蓄电池端电压/V第1组蓄电池/V第2组蓄电池/V111.1110.94210.629.81311.3911.01411.2410.36511.4710.83611.1210.61711.1510.56811.2410.5911.0910.491010.8510.42119.1010.52128.639.581310.1110.741411.2710.131510.5710.391611.2610.481711.419.041811.1510.601911.210.692011.0810.612111.1110.202211.479.34239.719.93249.5510.412511.1910.512610.4010.512711.0310.40289.3211.07297.7211.04309.2211.063110.6711.03328.8311.02339.8111.003411.3010.89359.2910.783610.6910.843710.4311.073811.3011.093911.2010.904010.5510.47

3 两种放电测试方法比较

受制于直流放电测试负载因素，本文没有直接进行直流放电测试试验。参考市场上适用于测试文中蓄电池的直流负载产品说明书[8]，该直流负载和交流负载的工作参数见表4。

2.3.4 稳定性 取精密度试验配制的样品溶液，放入样品盘后，按色谱方法，样品盘设置温度为15℃，于15 min、30 min、60 min、3 h、5 h、7 h测定峰面积，考察各目标物的稳定性。结果表明：各目标物峰面积并未明显减少，说明各目标物经强酸处理后，由于溶液中大部分酶被灭活，低温环境下溶液相对稳定。结果如图2所示。

 

表4 两种测试负载的工作参数

  

项目放电额定电压可放电电流适用电池组电压适用蓄电池数直流负载(ZDT-CE系列)384～600 V0～50 A,100 A,150 A480 V限每组40个,每次测试1组交流负载0～1000 V0～220 A无要求与蓄电池配置没有直接关系

因此，可以进一步归纳总结直流放电测试方法和交流放电测试方法的特点见表5。

 

表5 两种测试方法对比

  

项目测试步骤测试时间(1小时率)测试电压范围测试电流范围对蓄电池配置要求使用范围直流测试方法复杂[9]几小时窄窄对每组数量和组数有要求负载专用交流测试方法简单1.5小时宽宽无要求负载通用

4 总结

所提出的基于交流放电的UPS电源蓄电池性能测试方法是对直流放电测试方法的继承和发展。通过详细介绍该方法的原理，推导了公式，并对160 kVA的UPS电源蓄电池进行了性能测试试验。试验表明，该测试方法能够达到测试UPS电源蓄电池性能的目的；同时由于该方法不需要考虑蓄电池的具体配置情况，具有较好的经济性和通用性。

参考文献

[1] DL/T 5044-2014电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程[S].北京:国家能源局，2014:6-34.

[2] DL/T 724-2000电力工程直流电源系统设计技术规范[S].北京:国家经济贸易委员会，2000:1-22.

[3] YD/T 5040-2005通信电源设备安装工程设计规范[S].北京:信息产业部,2006:3-11.

[4] YD/T 799-2010通信用阀控式密封铅酸蓄电池[S].北京:工业和信息化部，2010:1-13.

[5] 何小霞，詹勤辉，代尚林，等.变电站直流系统自动远程维护技术[J].电测与仪表，2012，49(9)：63-66.

[6] 伊顿UPS电源(中国)有限公司.伊顿9390(40-160kVA)[EB/OL].中国：www.eaton.com.cn.

[7] 齐和忠，刘卫东.汽车蓄电池的硫化故障原因分析及预防[J].武警工程大学学报，2004，20(6)：60-62.

[8] 武汉中电通电力设备有限公司.ZDT-CE系列蓄电池放电测试仪[EB/OL].中国：www.zdtdl.com/chanpin/xudianchi/.

[9] 许晓阳，谭志聪，谭志保.变电站直流蓄电池组核容放电测试新方法研究[J].机电信息，2015(27):168-171.