針對化工企業UPS 的蓄電池性能分析及負載優化

商 勇 陳 杰 劉 菲

（中國石油蘭州石化公司電儀事業部）

甘肅某大型煉化企業是集煉油、化工、裝備制造、工程建設、檢維修及礦區服務為一體的大型綜合性煉化企業，是中國西部重要的煉化生產基地，能源戰略地位十分重要。 供電系統的穩定可靠運行對企業的生產具有極其重要的意義， 因此必須要求供電系統的應急供電及時、可靠。 企業中，供電系統的應急供電措施普遍采用UPS 供電。

高壓聚乙烯380V 變電所和聚丙烯380V 變電所共有3 套UPS，容量分別為100、80、40kVA。各自負責對相應裝置的儀表機柜間、現場分析儀表等設備供電。 自2006 年裝置建設以來，已投入使用13 年有余，目前性能有所下降，故障情況開始增多，并且因為多年的更新改造，常年處于低負荷狀態，使用效率較低。

1 UPS 的結構、性能與電源需求分析

石化企業在UPS 的選擇上主要有兩種方式：單機UPS 和1+1 冗余式UPS 供電系統。 高壓聚乙烯變電所和聚丙烯變電所的3 臺UPS 分別選用 梅 蘭 日 蘭 銀 河 系 列100、80、40kVA 負 荷 的UPS，均以單機UPS 供電方式運行。

1.1 單機UPS 供電系統結構

單機UPS 供電系統（圖1）包括UPS 主機和旁路單元。 其中，UPS 主機單元包括整流和逆變模塊、蓄電池組及旁路單元等［1］。 由于UPS 是將交流電先整流，再逆變對負載進行供電，因此當主電源過低、 過高或電壓波動時，UPS 都能穩定地對負載進行供電。

圖1 單機UPS 供電系統結構示意圖

1.2 單機UPS 供電系統工作原理

當主電源正常時，主電源經整流單元對電池進行充電，并對逆變器供電，逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電； 當主電源異常時，電池通過逆變器對負載進行供電；當電池電量不足或逆變器故障時，則通過靜態開關切換到旁路對負載進行不間斷供電； 當UPS 故障或檢修時，可通過外部檢修旁路對負載持續供電。

1.3 UPS 供電方式和配置

高壓聚乙烯變電所和聚丙烯變電所UPS 的主回路電源和旁路電源分別取自變電所不同段的兩個抽屜柜，分別供給輸入電源，旁路都設置在UPS 內部。 UPS 電池選用免維護鉛酸蓄電池，此類蓄電池質量相對較好，目前大多數UPS 電源都采用這種方式。

2 UPS 蓄電池分析

UPS 的備用蓄電池運行狀況直接關系到UPS 整體的性能［2］，裝置變電所的3 臺UPS 蓄電池分別選用33 節荷貝克的SB FR 140 144Ah 蓄電池、30 節西恩迪的12-90G 79Ah 蓄電池、30 節陽光的A412/65 65Ah 蓄電池。

2.1 UPS 蓄電池使用現狀與特點

免維護鉛酸蓄電池具有體積小、 重量輕、放電性能高及維護量小等特點。 中小容量密封電池的單節電池電壓為12V，一旦電網失電，若整組蓄電池中某一節或多節蓄電池容量不合格，則會造成電池的反充，直接導致電池組整體電壓下降超過24V， 進而使逆變器關機，UPS 失去應急供電的作用。

2.2 UPS 蓄電池容量分析

以高壓聚乙烯變電所梅蘭日蘭100kVA UPS為例說明。 一般情況下，UPS 的功率因數為0.8，UPS 的電池直流電壓為396V，計算蓄電池容量。

梅蘭日蘭100kVA 蓄電池型號為GALAXY PW，UPS 的功率因數為0.8， 計算得到此UPS 的實際功率為100000VA×0.8=80000W。 根據W=UI，I=W/U=80000/396=202A， 可 得 出 電 流 為202A，也就是說延時1h 需要202A。 根據制度要求，裝置用UPS 至少保證供電0.5h 以上，因此要求選用至少101Ah 的蓄電池。

2018 年，高壓聚乙烯變電所100kVA UPS 更換蓄電池為荷貝克144Ah 12V 的蓄電池， 由于UPS 的電池電壓為396V，因此至少需要33 節。

以上分析計算表明， 高壓聚乙烯變電所100kVA UPS 所更新的電池滿足要求。 同理計算可知， 高壓聚乙烯變電所和聚丙烯變電所3 套UPS 所選用蓄電池均滿足要求，并且有一定的余量。

2.3 UPS 蓄電池壽命分析

UPS 蓄電池的使用壽命會受到環境溫度、放電次數等條件的影響，蓄電池壽命等級見表1。

表1 蓄電池壽命等級對照表

高壓聚乙烯變電所和聚丙烯變電所采用的荷貝克SB FR 140 144Ah、 西恩迪12-90G 79Ah和陽光A412/65 65Ah 蓄電池性能對比見表2。西恩迪蓄電池設計壽命為7 年以上，屬于2 級壽命等級，其他兩款為4 級壽命等級，設計壽命為12年以上，均符合至少5 年的使用要求。 高壓聚乙烯變電所100kVA UPS 和聚丙烯變電所80kVA UPS 自2006 年投用以來， 于2012、2018 年先后分別更換電池，保障了蓄電池在壽命周期內的使用性能。

表2 變電所用3 款蓄電池性能對比

2.4 蓄電池充放電試驗及保養

在UPS 的正常運行過程中， 對UPS 蓄電池定期使用充放電儀進行充放電試驗，通過內阻值和電池電壓的變化情況判斷蓄電池的性能。

鉛酸蓄電池的充電模式有恒流充電、恒壓充電、脈沖充電及恒壓降流充電等方式，高壓聚乙烯變電所和聚丙烯變電所的免維護鉛酸蓄電池采用的是恒壓降流充電方式，也是目前最主流的充電方式。

2.4.1 恒壓降流充電

電池的充電周期分為兩個階段， 如圖2 所示。

圖2 蓄電池充電階段

第1 階段： 以10h、0.1 倍率的電流對電池進行充電。 電流不變，電壓升高至強充電壓。

第2 階段： 以強充電壓對蓄電池進行恒壓充電，充電電流減小至浮充電流。

2.4.2 放電

圖3 為12V 蓄電池的放電曲線，從圖中可以總結出12V 電池的以下放電特征：

a. 電池總容量的85%是在11.7～12.7V 之間；

b. 電池電壓隨著容量的減少逐步大幅度地下降；

c. 放電至10.5V 左右時，蓄電池基本已放電結束；

d. 在放電末期，健康狀況越差的電池，電壓下降越快。

圖3 12V 蓄電池放電曲線

電池放電時間視電池容量和電池端電壓而定，通常放電達到容量的30%～50%即可，要避免80%以上過度放電。還應注意測量電池組端電壓，以電壓為12V 的電池為例，放電后每節電池的平均電壓不應小于10.5V。 低于10.5V 時，電池將不再恢復儲電能力。 因此，在2019 年的大檢修中，當高壓聚乙烯變電所40kVA UPS 蓄電池放電1.5h 后， 在部分電池出現低于10.8V 的情況下，立即停止放電，避免對其余電池產生損害。

若蓄電池的運輸、 儲存或安裝時間很長，會失去一定容量。 為保證電池有足夠的容量，每年要進行1 次容量恢復試驗，讓電池內的活化物質活化，恢復電池的容量。

2019 年裝置大檢修中，對高壓聚乙烯變電所40kVA UPS 蓄電池進行充放電試驗，試驗前測量出多塊蓄電池內阻超標，開始放電后，有兩塊蓄電池在不到1h 內電壓已下降至10.8V 以下，在脫開不合格電池后，放電至1.5h，又有多塊電池電壓降至合格標準以下。

3 UPS 使用效率

UPS 電源負載功率一般需控制在額定功率的50%～80%［3］，不可以私自添加用電設備，否則會加重UPS 運行負擔，縮短使用壽命；當負載過輕時，UPS 的效率降低，輸入電壓、電流的畸變率增大，不利于設備長周期運行。 圖4 所示是變電所用梅蘭日蘭UPS 的效率曲線。

圖4 梅蘭日蘭UPS 效率曲線

通過對圖4 的分析可以了解到，UPS 負載功率在40%～80%的區間其運行效率最高。

高壓聚乙烯變電所40kVA UPS 的額定輸出電流為61A，負載電流常年僅有10A 左右，負載率僅為16%左右， 因此40kVA UPS 輸出效率較低，常年處于不經濟運行狀態，需對其負荷狀況進行改造。

4 UPS 優化改造措施

高壓聚乙烯變電所設有100kVA 和40kVA UPS 各一套，40kVA UPS 負責儀表機柜間照明、風扇、風送除塵控制器及醋酸乙烯分析儀表等設備的供電并作為勵磁柜控制電源、 綜保電源、主擠、輔擠變頻器控制電源，隨著裝置的運行，醋酸乙烯等單元已停用， 負載逐漸減少，100kVA 和40kVA UPS 長期處于低負荷運行狀態，平均輸出電流分別為53、10A。

4.1 UPS 負荷轉移改造

按照圖5 對高壓聚乙烯變電所100kVA UPS進行負荷轉移改造，并將40kVA UPS 停用。

負荷轉移改造的具體流程如下：

a. 提前告知高壓聚乙烯變電所，將開展檢修工作，確認負載已處于停機狀態，高壓綜保、主擠壓機、 輔助擠壓機控制電源及儀表電源等已斷開；

圖5 高壓聚乙烯變電所UPS 負荷改造圖

b. 停100、40kVA UPS， 確認已處于停機狀態；c. 驗電后，拆除100、40kVA UPS 前側蓋板；d. 拆除40kVA UPS Q5N 輸出電纜和配電柜總空開上側電纜；

e. 新增36m 的5×16mm2電纜， 一端連接至100kVA UPS Q5N 輸出側， 另一端連接至配電柜總空開上側；

f. 配電柜內將原負荷接于配電柜200A 分空開下側，將原儀表機柜間空開更換為160A。

經過改造， 高壓聚乙烯變電所100kVA UPS的負載功率升至41.7%，運行效率上升至90%以上，提高了經濟性。

4.2 UPS 蓄電池改造

高壓聚乙烯變電所40kVA UPS 所使用蓄電池已13 年未更換，本次充放電試驗，部分蓄電池已不合格，由于一個蓄電池組內不能新舊電池串聯， 因此選擇將此批30 節蓄電池報廢處理。 同時，將100kVA UPS 蓄電池進行更新，使用荷貝克144Ah 蓄電池，通過試驗和測量，電池具有良好的效果。

4.3 聚丙烯變電所80kVA UPS 主機更新

聚丙烯變電所80kVA UPS 也已使用13 年，在運行期間發現多個元器件老化，為保證UPS 的穩定運行，對主機進行更新改造，新UPS 選用施耐德APC 5500 系列， 新UPS 比原機型具有高電源質量、高級架構體系、更加安全可靠及使用簡便等優點。 PFC 整流器配有Sixpack IGBT 模塊用以避免上游失真，且功率因數接近1。

5 UPS 蓄電池日常使用與維護

5.1 保持適當的環境溫度

蓄電池對環境溫度要求較高， 可在20～50℃內使用，最佳的使用溫度應在15～25℃［4］。 環境溫度一旦超過25℃，每升高10℃，電池的壽命就要縮短一半。 高壓聚乙烯變電所和聚丙烯變電所UPS 室的溫度基本保持在22℃，能夠保障電池的最佳運行條件。

5.2 定期充電和放電

UPS 所使用的蓄電池和其他充電電池一樣，不能長期處于空載或浮充的運行條件， 但由于UPS 的功能是長期后備供電，因此UPS 蓄電池需要定期進行充放電。 目前變電所使用專業蓄電池充放電儀進行此項工作，充放電儀可根據設置的放電時間和參數， 自動計算所需要的放電電流，并且在電池電壓下降至報警電壓時，及時停止工作，確保蓄電池不因人為原因導致破壞。

5.3 電池電壓和內阻檢測

每月應測一次電池單體電壓和電池內阻，有條件的應加裝電池監測系統，對每節電池的電壓和內阻進行檢測，若沒有的話，則應定期人工檢測。

5.4 及時更換電池

盡管目前電池組所選用的電池壽命都在7年以上，但隨著使用環境和負載的變化，個別蓄電池性能下降較快，若單節或多節蓄電池性能已不合格，不能僅更換不合格電池，而需要整體更換蓄電池組。

6 結束語

對化工企業供電系統中UPS 的技術特點和蓄電池性能進行分析， 并對保養方法進行了總結。 正確使用UPS 不僅能改善電網質量，還能提高用電系統的可靠性，真正做到不間斷為設備提供安全、可靠的電源，保障了裝置的穩定運行。