机房保障电源系统铅酸蓄电池漏液隐患分析和排查方法

摘要：对数据中心供电保障系统铅酸蓄电池组漏液短路故障隐患的起因、后果进行了分析,提出了一种利用绝缘监察检测蓄电池组漏液短路的排查方法。

1 故障案例、原因分析及危害性

(1)蓄电池电气短路故障案例

数据中心UPS系统的主要作用是确保数据网络系统设备的供电不中断,确保信息通信网络的畅通。近年来,数据中心因电气短路造成UPS系统供电中断甚至机房起火事故并不少见。其中,UPS系统中的铅酸蓄电池组漏液导致的电气短路事故占了很大一部分,是引发供电故障最不可忽视的致命隐患。

①案例报告一

某日23时50分动环监控系统发现某局站一组-48V阀控密封铅酸蓄电池(2008年投入使用)标示高温告警(365℃),次日0时40分抢修人员到达现场后,发现蓄电池室和相邻的电力室已经充斥大量有毒烟雾,抢修人员无法进入机房,机房温度持续升高。为防止故障进一步升级,经风险评估并报告主管领导后,1时50分切断了该局电源系统的交流输入。故障最终导致该局几千个宽带接入用户和语音业务用户及17条大客户通信中断。事后经分析论证,基本确定故障原因是蓄电池单体内部短路或壳体渗液与电池架短路而引发。

②案例报告二

2005年某省通信网络业务轴承系统接入网机房发生火灾事故,烧毁蓄电池组及其附近的电缆、入户木门、空调等物品,造成通信中断时间长达17小时35分。原因为蓄电池的漏液导致电气短路,引起高温,长时间的持续高温引燃蓄电池ABS塑料外壳,导致火灾发生。

　　图1是蓄电池电气短路引发火灾的情况。

(2)蓄电池组漏液短路的危害性

①蓄电池组属于直流电源,其电路故障危害性比交流电源要大

一般情况下,发现电气短路起火时,首先要切断电源。对于交流电源而言,由于电能自上而下地来源于市电电网或柴油发电机组,当发生电气短路故障时,总会有一级保护器件产生动作,及时切断短路的电气电路。而当蓄电池组位于电源供电系统的末端,电能是自下而上提供的,只要越过了直流总配电屏的保护熔丝或蓄电池组的保护断路器,则不会再有其它的保护。发生短路故障时,往往无法有效地切断短路的电气电路。加上直流电流不像交流正弦波,它没有过零点时的瞬间电动势为零的过程,一旦发生电气短路极易引起蔓延。而发生短路后的阻抗仅取决于导线线阻和蓄电池组的内阻,短路电流近似为无穷大。因此,蓄电池组直流电气短路的危害程度远大于交流电气短路。

②导致网络中断事故

数据中心的供电保障系统是保证网络设备供电不中断的核心系统,后备蓄电池组是网络的应急供电能源之所在。在直流240V供电系统中,蓄电池组是直接并联在整流器输出端的直流供电回路中,正是由于有后备蓄电池组的存在,市电停电或交流侧发生电气短路中断时,并不会直接导致通信网络的供电中断。同样,在交流UPS系统中,只要逆变器及后续电路正常工作,后备蓄电池组就能够发挥作用。然而,若蓄电池组发生电气短路,必然造成电源系统的输出电压瞬间跌落,引起负载设备掉电,导致网络中断故障,严重影响信息通信的畅通。

③引发机房火灾

发生蓄电池组电气短路后,若不能及时发现和切断回路,则必然引起火灾。蓄电池组的电量越足,危害性也越大。

(3)蓄电池电气短路的原因

常见的蓄电池电气短路甚至起火的原因一般有以下几点:

①蓄电池本身质量有问题,桩头与极板连接有隐患;

②蓄电池在运输或安装时,壳体出现裂纹而没有及时发现,安装后蓄电池内部酸液析出通过电池架电气短路;

③蓄电池与电缆连接不牢,造成接触电阻过大,温度升高后接触面氧化严重,进而造成接触电阻继续变大,相继引起电气打火甚至拉弧,最终引燃附近可燃物造成起火;

④蓄电池组的连接电缆耐压值不够,造成电缆间的绝缘击穿,造成电缆短路起火;

⑤蓄电池配置不合理,超出蓄电池放电极限;

⑥蓄电池连接电缆在出入电池架处被电池架铁皮划破绝缘层发生短路;

⑦蓄电池充电电流过大或电压过高造成蓄电池过充发热,正负极板变形弯曲从而起火;

⑧蓄电池组的外部连接电缆或内部连接电缆因使用时间过久而绝缘老化,未及时检查更换处理,造成电缆间或电缆与电池架间产生短路。

从理论上分析,发生故障的根本原因是蓄电池组或单体通过导电体(例如电解液、电池架、导线等)或直接形成了正负极之间的回路,产生了漏电流或电气短路。

(4)常用防范蓄电池漏液电气短路措施和不足在上述各种蓄电池组电气短路的起因中,蓄电池漏液造成对电池架短路或绝缘度下降,造成正负极通过电池架间接短路,一直是发生几率较高、最难以判断和发现,但后患却非常严重的疑难故障。

目前,对于这类故障隐患的防范措施或多或少都有一些不足,如:

①蓄电池底部增加托盘——托盘可燃;

②电池架增加电木板垫片——不能避免电解液的漫延;

③电池架对电气地绝缘——不易实施且不符合安全规范;

④蓄电池室安装烟雾告警系统——不及时。

2 绝缘监察的工作原理

现行在用的高于安全电压的直流电源系统(例如电力操作电源、通信用240V直流供电系统等)都要求采用直流回路对地悬浮工作方式,并设置有绝缘监察(Insulation Monitoring)功能系统。

所谓绝缘监察,是指在直流供电系统中,对直流输出与地的绝缘性能进行检测,判断是否发生接地故障或绝缘性能降低。当发生故障或绝缘性能劣化时发出告警。

绝缘监察功能主要通过检测直流供电回路中电压和电流来实现对地绝缘电阻检测的。其中,电压检测技术主要是由绝缘监察来实时监测正、负直流母线的对地电压,通过对地电压计算出正负母线对地绝缘电阻。当绝缘电阻低于设定的报警值时,发送出告警信号。

由于母线对地绝缘电阻检测方法中的测量对象是直流回路上的电压,而不管在系统的直流回路中任何一点发生接地故障或绝缘度下降,都会引起系统母线电压的变化。因此就能够迅速地在绝缘监察系统中反映出来。

在通信用240V直流供电系统中,绝缘监察的电压检测主要有以下两种方式:

(1)平衡桥电阻检测法

平衡桥电阻检测法主要用于母线绝缘的检测,是在系统分别对正负极接入一对高阻R1、R2(约100kΩ),两个电阻阻值相等,如图2所示。在正常情况下,RX=RY≈∞,U1=U2。当系统发生一极接地故障时,例如正极接地,即RX≠∞,RY=∞。此时,R1、R2的电压降U1、U2将发生改变,系统根据两个电压降变化的幅值,即可判断系统发生了绝缘故障。同时,可以通过下列公式来计算RX的大小:

　　通过测量U1、U2电压,即可计算出接地电阻RX。

　　同理,也可发现负极接地,即RY≠∞的情况。

平衡桥电阻检测进行绝缘监察的方式的优点是简单、响应速度快。由于只检测电压,只要U1和U2超过预设的压差,立即可判断系统的绝缘出现故障了。因此,可以实时地检测到直流回路中“非对称性”的正负极绝缘状况。但是,这种方式的缺点也是非常明显的,当正负极母线绝缘度同时下降且接地电阻相差不大,即出现“对称性”的绝缘度下降时,由于此时U1≈U2,压差达不到告警值,系统就不能发现绝缘出现故障。

(2)投切电阻检测法

为了解决平衡桥电阻检测法的不足,可以采用投切电阻检测法。具体原理如图3所示,与平衡桥电阻测量法相比较,增加了R3、R4,通过开关K1与K2轮流分断。单极接地的情况和平衡桥的类似,这里就不在重复说明了。我们来看当RX=RY≠∞的情况。

当K1合上,K2断开时

当K1断开,K2合上时

由式(1)和式(2)求得RX和RY(具体计算过程略)。

工作过程:K1和K2定期轮流导通,分别记录U1和U2,然后计算出RX及RY,当发现RX及RY小于预设告警值,即触发系统发出告警。

这种方法可以解决平衡电桥的缺点,能够发现正负极同时发生绝缘的故障。

　　3 对蓄电池组实施绝缘监察的条件和可行性

(1)对蓄电池组实施绝缘监察的条件

从本质上说,蓄电池组电气短路是一种正负极之间绝缘度下降的极端形式,而对于蓄电池漏液造成的电气短路,必然是正负极之间或者其对电池架(接地)的绝缘度下降。因此,借助绝缘监察的检测原理,是可以实现对蓄电池组漏液的检测。

从绝缘监察的工作原理可知,实施绝缘监察的前提条件是蓄电池组对地悬浮工作,即蓄电池组的正负极回路(包括充放电电路)均不接地。

(2)对蓄电池组实施绝缘监察的可行性

目前,采用蓄电池组作为后备电源的电源系统主要有直流240V电源系统和交流UPS电源系统。

这些电源系统及其蓄电池组接地情况见表1。

我们可以分别不同的情况进行具体的分析:

①对于表1中第1种情况的240V直流供电系统,由于本身就要求对地悬浮工作,并配备有绝缘监察系统功能,而蓄电池组是并联在直流输出回路中使用的,其正负极同样必须是对地悬浮。通过系统的绝缘监察功能,可以发现整个直流回路中的绝缘度下降,因此同样也可以直接检测蓄电池组漏液引起的绝缘度下降情况,并直接产生告警。如图4所示。

蓄电池漏液告警与直流回路其他绝缘监察告警的区分,可以在排除了误告警的可能性后,通过对母线电压和支路漏电流的综合分析即可以判断出来,如表2所示。

②对于表1中第2种情况的交流UPS系统,可以确认蓄电池组是对地悬浮工作,正负极均不接地的。类似于表1中第1种情况,只要增加配备绝缘监察功能或利用便携式的绝缘监察测试仪,就可以检测蓄电池组漏液引起的绝缘度下降情况,并直接产生告警。如图4所示。

③对于表1中第3种情况中的交流UPS系统,如果交流UPS系统中蓄电池组的中心抽头与系统中性线连接,但保护地线不连接或呈高阻状态,则完全可以按照表1中第1、2种情况来判断。因此,可以首先进行零地线是否连接的检测和判断。如图5所示。

④对于表1中第4种情况,如果交流UPS系统的蓄电池组有中心抽头连接中性线且与保护地线有连接或呈低阻状态,则需要将蓄电池架进行对地绝缘处理,或利用蓄电池组的近端保护开关将蓄电池组的中间抽头与UPS系统分离。在蓄电池架不接地的情况下,即可按照表1中第1、2种情况来判断。如图6所示。

　　4 对蓄电池组和蓄电池架的接地要求

(1)对蓄电池组接地的要求

综合上述分析,从利用绝缘监察功能实现对蓄电池组漏液绝缘度下降检测的角度出发,对蓄电池架的接地与否应视不同情况有不同的要求(如表3所示):

①对于蓄电池组正负极不接地的240V直流系统,蓄电池组正负极不接地且无中间抽头或中间抽头仅接中性点而不接地的交流UPS系统,即表1中第1～3种情况时,蓄电池架必须可靠接地;

②对于蓄电池组正负极不接地但有中间抽头且接地的交流UPS系统,即表1中第4种情况时,蓄电池架不应接地并保证与地面做绝缘。

(2)蓄电池架对地绝缘的实施方法

①必须保证蓄电池架没有任何一个接地点;

②蓄电池架支脚与地面之间、支撑与墙壁之间必须加绝缘垫片;

③蓄电池架的固定螺栓不得采用金属膨胀螺栓,应使用塑料的内膨胀螺栓,并确保金属部件对地的绝缘。如图7所示;

④蓄电池架与电缆走线架绝缘。

　　5 蓄电池组漏液检测的设置、排查和分析判断

(1)蓄电池组漏液检测可以有固定式和便携式两种形式

①蓄电池组正负极不接地的240V直流系统(即表1中第1种情况),可以直接通过完善系统绝缘监察功能的方式实现对蓄电池组漏液的在线检测;

②同样,蓄电池组正负极不接地且无中间抽头或中间抽头仅接中性点而不接地的交流UPS系统(即表1中第2、3种情况),可设置固定式的蓄电池组漏液检测装置实现对蓄电池组漏液的在线检测;

③电池组正负极不接地但有中间抽头且接地的交流UPS系统(即表1中第4种情况),可以利用便携式蓄电池组漏液检测仪定期对蓄电池组进行巡检。

(2)安装固定式蓄电池组漏液测试装置或开始对蓄电池组进行巡检前,应测试并确认蓄电池组为对地悬浮工作状态。即满足下列几点:

①蓄电池组正负极均不接地;

②蓄电池组的充放电回路对地绝缘或隔离;

③有中间抽头的蓄电池组,其中性点不接地或对地呈高阻状态;

④对于有中间抽头且中性点接地的UPS系统蓄电池组,可通过将电池架对地绝缘,或利用蓄电

池组的近端保护开关将正负极与电源系统分离的方式,确保其对电池架的绝缘。

(3)蓄电池组漏液告警应定义为重大告警。当出现告警时,应及时派维护人员到现场排查

(4)对于240V直流电源系统,当出现绝缘监察告警时,如仅有总母线电压告警而没有分支路漏电流告警,在排除误告警的可能后,应考虑为蓄电池组绝缘度下降引起的告警

(5)多组蓄电池组(n=1～4)并联的情况

①当n=1时,蓄电池组漏液告警即为唯一的一组蓄电池为疑似故障蓄电池组;

②当n>1时,可以逐组断开蓄电池组的近端保护开关,断开后系统告警随即消失时,该组蓄电池组即为疑似故障蓄电池组。

参考文献

[1]谢箐华,王家政.浅谈减少蓄电池漏液危害的综合维护措施,《2013年中国通信能源会议论文集》

[2]易正楚、康彩云、张方健:关于电池架接地的探讨[C],2012年中国通信能源会议论文集.

[3]侯福平主编.通信用240V直流供电系统[M].北京:人民邮电出版社.

[4]宋莉:阀控铅酸蓄电池几种常见故障的分析与处理[J].通信电源技术,2012年,6.

作者简介

侯福平,中国电信股份有限公司广州研究院高级技术经理、高级工程师、中国通信学会高级会长、中国通信学会电源专业委员会委员、中国电源学会高级会员。