1 事故發生
①XX企業的二臺30kVAUPS,電池是12V/65Ah,其中一臺發生電池起火冒煙。煙霧非常大,整個配電室全是煙霧,電氣工作人員帶防毒用具進入配電室進行操作,因未見明火,消防隊到現場沒有處置,由電氣工作人員進行操作,用風機排煙。現場情況是UPS轉旁路工作,有幾塊電池燒壞。圖1為電池燒壞的場景。
UPS經過檢查,有過載和變換器故障報警。經過測試后,啟動UPS運行正常,UPS設備沒有損壞。電池柜分為五層,其中四層放置電池,一層放置電池開關。電池組檢查,共有4塊電池損壞,發生在電池柜內同一層(第三層)。設備投入生產幾個月,現場分析,電池底部開裂使電解液流出造成電池回路與地短路。
②某科研單位的一臺200kVAUPS,一塊電池爆炸,造成UPS內部起火,將UPS燒壞。
2 事故分析
在UPS設計和施工安裝時,通常是將電池架或電池柜的架體與地線連接,以保證電氣安全。可是當電池外殼開裂電解液流出時,會造成電池對地線構成回路,致使發生電池組和UPS故障,甚至嚴重故障。
當電池漏液不嚴重時,會造成整流器電流過載,整流器關閉,逆變器停機,UPS轉旁路工作,不會造成斷電。一般情況下清除故障,并且更換新電池后,設備可以恢復正常工作。但電池漏液嚴重,并且電池內部極板、板柵出問題,造成對地的短路,就會造成大事故。
下面按不同電路和拓撲結構,對造成事故的因果關系進行分析。
(1) SCR結構整流器
SCR結構整流器的原理圖如圖2所示。
當電池漏液嚴重,并且電池內部極板、板柵出問題,造成對地短路,發生因電流太大致使整流器的SCR被擊穿,無法關閉回路,引起交流電流流入直流系統,造成電解電容器(Cx)損壞,并使電解電容器的電解液噴出,因電解電容器中電解液的導電性引起UPS內部電氣的短路,故障擴大使其損毀,嚴重時設備內部發生著火。
SCR整流器(相控),都是角形工作方式,當全波整流時，標準電壓380V整流得到540V左右的直流電壓。而當電池組中間某一點與地線短路，增加新的電流回路(如圖2中的實線電流所示)，則整流器的接線方式就變成星形工作方式，而整流器輸出為622V左右的直流電壓，這種升壓的結果將造成電池組和電解電容器過壓，進而引起嚴重的過電流。SCR擊穿后將無法關閉整流器，并且交流電流會流入直流電路中，這就會使電池因過電壓充電而損壞甚至起火或爆炸。直流電解電容器也會因電壓升高而損壞，并使電解電容器的電解液噴出，因電解電容器中電解液的導電性引起UPS內部電氣的短路,故障擴大，致使其損毀,更嚴重時設備內部著火。
(2) IGBT結構整流器
IGBT結構整流器的原理圖如圖3所示。
圖中TB1、TB2、TB3構成整流電路,C1x和C2x為濾波電容器,提供直流供電,而TB4構成一個Buck/Boost電路結構,電路在市電正常時供給電池組充電(電路工作在Buck方式)。當市電故障時,電池組向C1x和C2x供電,并保障直流母線電壓的穩定(電路工作在Boost方式)。
在市電正常工作情況下,電池漏液嚴重并有電池內部極板、板柵出問題,造成對地短路時,增加了新的電流回路(如圖3中的實線電流所示),就會有大電流經過TB4(電路工作在Buck方式),LM檢測到超過設定電流時,將會通過控制邏輯電路關閉TB4中IGBT的工作,使其構不成電流的回路。從而降低電池組和UPS設備損壞的程度。
在電池漏液嚴重造成對地短路時,因TB4的二極管的存在,電池組與逆變器及濾波回路放電回路構成電流通路,因此在一些UPS制造商設計時考慮到此,設計輸入/輸出及電池開關時采用接觸器或空氣開關安裝脫扣器,便于電路異常時,分斷回路,保護設備的安全。在電路中有異常時,有效地轉換到旁路工作,不使后端負荷設備斷電。這樣的設計可以對UPS進一步進行保護。
3 電池架或電池柜安裝問題
為電氣和人身安全考慮,所有的電氣設備外殼均接地線。下面提供幾種電池架或電池框的安裝方式。處理好電池安裝及運行維護保養的工作很重要。
①早在上世紀70年代引進的UPS配套的電池柜,每四塊電池固定在一個電池托盤(絕緣材料制成)。這樣,電池致使產生漏液也不會造成對地短路的問題。
②XX國大使館的UPS電池柜的每層托板為絕緣材料制成,電池不與金屬架體接觸,有效地解決了電池漏液所造成的對地短路問題。
③多數供應商和一些使用者,因各種原因將電池直接放在鐵架上,這樣一來,電池漏液或電池的短路開裂,會使電池組的部分電極與地線連接,造成事故。
④也有電池架體上放置絕緣材料或架體不接地線。
4 結束語
隨著時代的進步,電路的設計更加先進全面,但像電池漏液與地構成短路這種小概率的事故也要重視。否則,發生事故會造成很大的損失。為此,提出如下建議:
①在設計方案時,把這些因素考慮進去,可以從絕緣和電氣控制保護等多種方法并用,特別是大型數據中心,更要重視;
②電池的老化是事故的主因之一,控制好電池工作的環境溫度,使電池不要因溫度過高而提前老化,訂好制度提前進行更換;
③重視運行保障工作,對所用設備功能了解清楚,電池底部的漏液不易發現,細小的變化會引發大的故障。
