UPS電源系統(tǒng)配置-蓄電池選取及放電時間

一、介紹

在數(shù)據(jù)機房UPS系統(tǒng)配置中，經(jīng)常碰到根據(jù)負載功率，后備時間來配置蓄電池、電池電力電纜、直流斷路器、電池柜等，本文依據(jù)國家行業(yè)標準，結(jié)合多家廠商應用數(shù)據(jù)，和大家分享一下配置過程。

依據(jù)標準：

GB 50174-2017數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范

GB 51194-2016通信電源設備安裝工程設計規(guī)范

YD/T 1095-2018通信用交流不間斷電源（UPS）

YD/T 799-2010通信用閥控式密封鉛酸蓄電池

GB/T 19639.1-2014通用閥控式鉛酸蓄電池

GB/T 19638.1-2014固定型閥控式鉛酸蓄電池

GB 50217-2018電力工程電纜設計標準

DL/T 5044-2014電力工程直流電源系統(tǒng)設計技術(shù)規(guī)程

IEC 60364 5-523 Electrical installations of buildings Current-carrying capacities in wiring systems

二、閥控式鉛酸蓄電池

依據(jù)YD/T 799-2010和GB 51194-2016標準，閥控式鉛酸蓄電池放電小時率為10HR，而依據(jù)GB/T 19639.1-2014標準，放電小時率為20HR，結(jié)合數(shù)十家電池廠商數(shù)據(jù)，10HR電池容量一般大于38AH，20HR電池容量一般小于35AH，當然也存在其他特殊情況應用。

三、蓄電池選取

蓄電池容量選取主要有三種方法，電流法、功率法、GB51194標準法。電池容量計算主要涉及內(nèi)容包括電池截止電壓、放電電流、放電功率、環(huán)境溫度、轉(zhuǎn)換效率等。

電流法，無需特別了解電池放電特性，根據(jù)電池電流放電倍率計算，但需保證電流放電倍率的準確度。

功率法通過負載功率，查閱電池規(guī)格書的恒功率數(shù)據(jù)，考慮轉(zhuǎn)換效率，再進行計算，準確度高，誤差小，但需要電池規(guī)格放電數(shù)據(jù)才可以。

GB51194標準法，通過標準規(guī)定的放電容量系數(shù)，截止電壓、環(huán)境溫度、安全系數(shù)等計算。

3.1 電流法

3.1.1 電池放電電流Ibat

3.1.2 負載功率Pload（單位W），如果滿載Pload=UPS容量（單位VA）*PF（輸出功率因數(shù)）

3.1.3 UPS效率η，根據(jù)選取的UPS進行設定，參考YD/T 1095-2018標準，結(jié)合多家UPS廠商數(shù)據(jù)

3.1.4 電池截止電壓V（即UPS電池關(guān)機電壓），小于等于1小時后備時間一般選取1.67v，大于1小時選取1.75V。1.67V代表蓄電池單體電壓，12V電池由6個單體組成，所以1.67V相當于單節(jié)電池10.02V，1.75V相當于10.5V。

3.1.5 UPS額定電池（12V）數(shù)量N

3.1.6 電池放電容量系數(shù)βT，放電時間T（Hour）

依據(jù)GB51194和YD799標準，結(jié)合多家廠商數(shù)據(jù)，電池（10HR）βT值：

依據(jù)GB19639.1標準，結(jié)合多家廠商數(shù)據(jù)，電池（20HR）βT值：

3.1.7 電池放電電流倍率∮

∮=βT/T

依據(jù)GB51194和YD799標準：

依據(jù)GB19639.1標準：

3.1.8 電池容量C計算公式：

C=Ibat/∮=Pload/η/(V*6*N)/∮

3.1.9 舉例1：UPS 高頻機 20kVA，額定電池電壓192V，16節(jié)電池，輸出功率因數(shù)PF0.8，負載功率14kW，后備時間30分鐘，配置蓄電池。

計算：取電池截止電壓1.7V*16*6=163.2V

UPS 20kVA負載14kW時，電池負載轉(zhuǎn)換效率91%（結(jié)合多家UPS廠商數(shù)據(jù)）

30分鐘對應電流放電比率（依據(jù)GB51194和YD799）：0.98

電池容量C=14*1000/0.91/(1.7*6*16)/0.98=96.2AH

根據(jù)功率法以及多家產(chǎn)品數(shù)據(jù)核實，此時計算出的電池容量略大，取0.9的比率，計算C=96.2*0.9=86.6AH，實際選取90AH，

此時選取的電池是10HR倍率閥控式鉛酸蓄電池90AH/12V 16PCS。

舉例2：UPS 高頻機 6kVA，額定電池電壓192V，16節(jié)電池，輸出功率因數(shù)PF0.8，負載功率4.8kW，后備時間5分鐘，配置蓄電池。

計算：取電池截止電壓1.7V*16*6=163.2V

UPS 6kVA負載4.8kW時，電池負載轉(zhuǎn)換效率91%

5分鐘對應電流放電比率（依據(jù)GB19639.1）：3.48

電池容量C=4.8*1000/0.91/(1.7*6*16)/3.48=9.3AH

根據(jù)功率法以及多家產(chǎn)品數(shù)據(jù)核實，此時計算出的電池容量略大，取0.9的比率，計算C=9.3*0.9=8.37AH，實際選取9AH，

此時選取的電池是20HR倍率閥控式鉛酸蓄電池9AH/12V 16PCS。

3.2 功率法

3.2.1 負載功率Pload，UPS效率η，電池截止電壓V，UPS額定電池（12V）數(shù)量N

3.2.2 計算負載功率對應的電池端單體的功率W

W=Pload/η/N/6 “6”指12V電池有6個單體組成

舉例1（采用電流法的例子）：UPS 高頻機 20kVA，額定電池電壓192V，16節(jié)電池，輸出功率因數(shù)PF0.8，負載功率14kW，后備時間30分鐘，配置蓄電池。

計算：W=14*1000/0.91/16/6=160.26W

電池選取截止電壓為1.7V

根據(jù)如下（三家90AH）電池規(guī)格書，選取對應后備時間和截止電壓的單體功率，匹配計算值。

選取90AH/12V 16PCS，電池10HR倍率。

第一家電池規(guī)格書

第二家電池規(guī)格書

第三家電池規(guī)格書：此規(guī)格書標注的是單節(jié)電池功率，所以計算值需要轉(zhuǎn)化160.26W*6=961.6W

舉例2：UPS 高頻機 6kVA，額定電池電壓192V，16節(jié)電池，輸出功率因數(shù)PF0.8，負載功率4.8kW，后備時間5分鐘，配置蓄電池。

計算：W=4.8*1000/0.91/16/6=54.95W

電池選取截止電壓為1.7V（12V相對于1.7V*6=10.2V）

根據(jù)如下電池規(guī)格書，選取對應后備時間和截止電壓的單體功率，匹配計算值。

選取9AH/12V 16PCS，電池20HR倍率。

第一家電池規(guī)格書，標注的是單節(jié)電池功率，所以計算值需要轉(zhuǎn)化54.95W*6=329.7W

第二家電池規(guī)格書

第三家電池規(guī)格書

3.3 標準法

GB 51194-2016標準規(guī)定計算公式

舉例1：UPS 高頻機 20kVA，額定電池電壓192V，16節(jié)電池，輸出功率因數(shù)PF0.8，負載功率14kW，后備時間30分鐘，配置蓄電池。

UPS 20kVA負載14kW時，電池負載轉(zhuǎn)換效率91%

電池輸入電壓1.85V*16*6=177.6V

蓄電池放電電流I=14*1000/0.91/177.6=86.6A

一般機房都有空調(diào)，環(huán)境溫度取電池標準溫度t為25℃

放電容量系數(shù)（0.5小時，電池截止電壓1.70）: 0.45

電池容量Q≥1.25*86.6*0.5/(0.45*[1+a*(25-25)]

Q≥120.3AH

所以選取10HR倍率的120AH 16PCS。

舉例2：UPS 高頻機 6kVA，額定電池電壓192V，16節(jié)電池，輸出功率因數(shù)PF0.8，負載功率4.8kW，后備時間5分鐘，配置蓄電池。

UPS 6kVA負載4.8kW時，電池負載轉(zhuǎn)換效率91%

電池輸入電壓1.85V*16*6=177.6V

蓄電池放電電流I=4.8*1000/0.91/177.6=29.7A

一般機房都有空調(diào)，環(huán)境溫度取電池標準溫度t為25℃

放電容量系數(shù)（5min，電池截止電壓1.70）: 0.23（數(shù)據(jù)在電流法中介紹）

電池容量Q≥1.25*29.7*（5/60）/(0.23*[1+a*(25-25)]

Q≥13.5AH

13.5AH電池容量小屬于20HR，所以標準法不適合計算，可以使用電流法和功率法計算。

四、電池電力電纜

標準：IEC 60364 5-523 Electrical installations of buildings Current-carrying capacities in wiring systems

GB 50217-2018 電力工程電纜設計標準

常用絕緣類型：

XLPE交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜（常見線纜YJY/YJV/BYJ等 )

PVC聚氯乙烯絕緣電纜（常見線纜BVR/VVR/VV等 )

下圖為XLPE絕緣類型銅芯載流量：

下圖為PVC絕緣類型銅芯載流量：

五、直流斷路器

標準：DL/T 5044-2014電力工程直流電源系統(tǒng)設計技術(shù)規(guī)程

常用直流斷路器額定電流：1A、2A、3A、4A、5A、6A、8A、10A、13A、16A、20A、25A、32A、40A、50A、63A、80A、100A、125A、140A、160A、180A、200A、225A、250A、315A、350A、400A、500A、630A、700A、800A、1250A、1500A

額定直流電壓：125V、250V、500V、600V、750V、1000V、1200V、1500V

六、電池柜

依據(jù)現(xiàn)行市場上多家電池柜廠商包括UPS廠商、電池廠商，進行電池柜示意設計，以承載12V/100AH數(shù)量為基礎，示意圖在一定程度上有所放大，以便涵蓋市場絕大部分電池柜和電池。比如：