数据中心电池系统的电气保护设计与分析：

 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。

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。

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。

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。