淺析地鐵弱電系統UPS蓄電池使用及維護

摘 要：文章結合西安地鐵弱電系統UPS蓄電池性能及參數，介紹蓄電池日常使用及維護方法，為相關人員提供參考和借鑒。

關鍵詞：UPS電源蓄電池；使用；維護

1 地鐵弱電系統UPS電源供電方式及特點

根據《地鐵設計規范》GB50157-2013城市軌道交通的用電負荷按照用電可靠性要求及失電影響程度分為三級。一級負荷是最重要的負荷，如通信系統、信號系統、火災報警系統等弱電系統，一旦失電將對乘客生命安全構成嚴重威脅。因此西安地鐵弱電系統由兩路獨立電源經過UPS供電。UPS電源選型為在線雙轉換式，UPS由市電輸入輸出濾波器、整流/PFC、DC/DC充電器、逆變器、旁路、電池和輸出功能模塊組成（如圖1所示）。當市電正常供電時，UPS可以看作是一臺穩頻穩壓電源，經過整流器、逆變器向負載輸出潔凈交流電的同時又向蓄電池組充電。市電停電時，由蓄電池經逆變器向負載供電。在線雙轉換式UPS除了具有過流報警、短路報警、過壓保護、短路保護、過載保護功能外還有一個特點，那就是不管有無市電供應，負載的全部功率都由逆變器提供，保證高質量的電力輸出，這對于軌道交通精密的電子設備來說非常重要。

2 蓄電池參數及工作原理

蓄電池是UPS的儲能裝置。市電正常供電時，它依靠充電電路將市電提供的電能轉化為化學能儲存起來。市電斷電時，它將化學能轉化為電能釋放出來維持UPS不間斷供電。西安地鐵一號線弱電系統UPS采用荷貝克Power.com SB 12V 60Ah閥控密封式鉛酸蓄電池，額定電壓12V，額定容量60Ah，額定放電電流6A，每塊電池內部封裝6個串聯的2V單體，終止放電電壓為1.8V/單體。蓄電池組數量根據各系統設計要求所要滿足的后備時間的長短而不同，電池間采用串聯方式連接。鉛酸蓄電池是由兩組極板插入稀硫酸溶液中構成的。電池在充電后，正極板為二氧化鉛PbO2，負極板為海綿狀鉛Pb；放電后，在兩極板上都產生細小而松軟的硫酸鉛PbSO4，充電后又恢復為二氧化鉛PbO2和鉛Pb。（如圖2所示）

2.1 充電

充電方式有兩種：均充和浮充。均充指恒大電流充電，其特點是充電速度快，持續時間短。蓄電池放電后可以用均充法快速補充電能。使用均充法還可以消除個別電池的電壓偏差，使電壓趨于平衡。浮充指恒壓小電流充電，其特點是充電時間長，充電速度慢，目的是補充電池由于自放電而虧損的小部分容量并增加充電深度。兩種充電方式之間的轉換由UPS監控模塊自動控制。西安地鐵弱電系統UPS的充電程序為先均充再浮充，根據電池放電程度，一般先均充12-48小時后再開始浮充。最大均充電流為6A，最高限壓為2.35-2.40V/單體。最大浮充電流為0.12A，浮充電壓為2.25V/單體。

2.2 放電

放電有兩種情況：一是市電掉電或電壓波動在UPS工作范圍之外UPS主機自動切換為電池供電。二是為延長電池壽命而人工進行的周期性放電作業。根據西安地鐵供電情況，自動切換主要發生在夜間雙電源倒閘期間，倒閘結束則自動轉入市電供電并同時對電池充電。而為延長電池壽命所做的放電作業周期為三個月，放電時間較長，需注意避免電池深度放電，當單體電壓低于1.8V時繼續放電易形成不可逆硫酸鹽化，使充電恢復能力變差，嚴重損害電池，縮短其使用壽命。

3 電池性能檢測

由于西安地鐵弱電系統UPS蓄電池采用的是密封式鉛酸蓄電池，充電時幾乎沒有腐蝕性氣體釋放，并且電解液的消耗非常少，在設計壽命內不需添加蒸餾水，所以對于電池性能的檢查主要在于以下兩點：電池電壓和電池容量。

3.1 電壓的檢測

電池電壓要在長時間浮充后測量，每單體電壓為2.25V，整塊電池電壓為13.5V；若是在均充狀態，每單體電壓在2.35V-2.40V之間，整塊電池電壓在14.1V-14.4V之間。

3.2 容量的檢測

常溫下，電池的容量是電池達到放電終止電壓的時間及放電電流大小的乘積。參照IEC896-11/DIN EN60896-11標準，鉛酸蓄電池一般進行10小時率容量測試。放電電流I=60Ah/10h=6A，放電終止電壓為1.8V/單體，記錄每單體電壓下降至1.8V所用的時間T，則測量出的電池容量C=I×T。只要測出的電池容量大于其額定容量，我們就判定電池容量合格。

4 電池維護

（1）在日常巡檢中應密切觀察電池的外觀，表面灰塵用干的無紡布擦除。電池的端極柱容易發生微小的電化學腐蝕，為了防止電池極柱氧化腐蝕，需定期向極柱添加防護油。運輸安裝過程中的磕碰有可能產生肉眼看不見的裂紋，經過一段時間的充放電后，裂紋擴大會導致漏液，從而腐蝕電池架甚至造成鋼結構柜體的損壞。如果有電解液溢出，應用氫氧化鉀溶液中和，然后徹底沖洗整個區域。若皮膚接觸電解液，需用清水充分沖洗。

（2）電池外殼膨脹，破裂甚至漏液時一般會伴隨電池內阻升高，溫度上升的現象，需要及時更換故障電池。由于大量電池串聯，整個電池組端電壓會達到DC430V以上，對人身構成致命威脅。因此更換電池的全程應穿戴絕緣手套和護目鏡，做好防護。更換電池首先要斷開電池充電器和輸出空開，松開螺母并拆除電池的連接片，拆除電池，檢查電池架、絕緣子、基座板處在良好狀態并更換任何有缺陷或可疑的零件。安裝新電池，一定注意極性順序，即新電池的正極連至前一個電池的負極，負極連至后一個電池的正極。

（3）電池最佳工作溫度在15℃-25℃之間，溫度過低會減少電池容量，溫度過高會縮短電池使用壽命，實驗室數據表明，溫度每升高10℃，化學腐蝕速率加快一倍，電池壽命減少一半。另外，在實際使用中應考慮到不同位置電池的溫度差異，由于UPS主機運轉散發大量熱量，如果柜內通風不好，或者電池距離UPS主機過近，會造成個別電池溫度升高影響其壽命，對整個系統的可靠性造成影響。這一點需要在設計安裝時格外注意。

5 結束語

蓄電池作為UPS的儲能裝置，在市電失電時為負載供電，蓄電池的性能直接決定了通信、信號、火災報警等弱電系統的工作狀態，關系到乘客的生命安全。作為軌道交通運營維保人員，應盡可能使蓄電池性能長期保持在高質量、高可靠性、高安全性的水平上。

參考文獻

[1]梁明暉.UPS在軌道交通中的應用[J].通信電源技術，2012（4）.

[2]中華人民共和國電力行業標準[S].中國電力出版社，2007.

[3]GB50157-2013.地鐵設計規范[S].