Baterie akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS oraz warunki ich bezpiecznej eksploatacji

Akumulatory stosowane w zasilaczach UPS stanowią magazyn energii i w zależności od typu zasilacza przeznaczone są do:

• pracy cyklicznej (zasilacze typu VFD)
• lub pracy buforowej (zasilacze typu VFI).

W przypadku pracy cyklicznej akumulator najpierw jest ładowany, a następnie odłączany od prostownika i przyłączany do zasilanych odbiorników.

W przypadku pracy buforowej zasilanie odbiornika realizowane jest z przekształtnika, który jednocześnie ładuje baterie akumulatorów.

W tych warunkach akumulator pozostaje w gotowości do przejęcia obciążenia na wypadek zaniku napięcia w obwodzie zasilającym prostownik, pozostając w stanie pełnego naładowania.

Uproszczone układy współpracy baterii akumulatorów z prostownikiem przedstawia rys. 1.

Rys. 1. Układy współpracy akumulatorów z prostownikiem: a) praca buforowa, b) praca w systemie UPS; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [źródło: T. Sutkowski – Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energie elektryczną – Urządzenia i układy – COS i W SEP 2007]

W zasilaczach UPS stosowane są akumulatory klasyczne o gęstości elektrolitu 1,24 kg/l lub akumulatory wykonane w technologii VRLA (Vavle Regulated Lead Acid), czyli akumulatory regulowane z zaworem jednokierunkowym umożliwiającym usuwanie nadmiaru wodoru, o gęstości elektrolitu (1,25–1,3) kg/l.

Akumulatory VRLA produkowane są w dwóch technologiach:

• AGM, w której elektrolit jest umieszczony w separatorze międzypłytowym wykonanym z włókna szklanego o dużej porowatości, które eliminuje niebezpieczeństwo wycieku elektrolitu oraz zabezpiecza przed możliwością powstania zwarcia pomiędzy płytami dodatnią i ujemną,
• SLA, w której elektrolit jest zestalony w postaci żelu, stanowiącego tiksotropową odmianę dwutlenku krzemu (SiO₂).

Porównanie wybranych cech akumulatorów VRLA odmiany AGM oraz żelowej (SLA) przedstawia tab. 1.

Tab. 1. Zestawienie porównawcze wybranych cech akumulatorów VRLA odmiany AGM oraz SLA [źródło: Z. Łęgosz – Stacjonarne baterie kwasowo-ołowiowe w systemach zasilania potrzeb własnych. Dobór baterii do aplikacji. - ETC Plus Ostrowiec Świętokrzyski]

W akumulatorach klasycznych wodór oraz tlen stanowiące produkt elektrochemicznego rozkładu wody są usuwane na zewnątrz przez otwory technologiczne wykonane w korkach. Natomiast w akumulatorach VRLA, które często błędnie nazywane są „szczelnymi” lub „hermetycznymi”, skutki reakcji elektrolitycznego rozkładu wody występują znacznie mniej intensywnie ze względu na wtórne reakcje powstających gazów, prowadzące do znacznej ich redukcji przez ponowne powstanie wody i powrót do elektrolitu. Zagospodarowywanie powstających gazów jest jednak niecałkowite i ich nadmiar jest usuwany na zewnątrz akumulatorów przez jednokierunkowe zawory.

Wraz z upływem czasu eksploatacji wskutek zjawiska starzenia lub błędnego jej prowadzenia, mogą pojawić się ilości gazów znacznie przekraczające ilość powstającą w normalnych warunkach. Świadczy to o tym, że akumulatory te podobnie jak akumulatory klasyczne stwarzają zagrożenie wskutek wprowadzania wodoru (H₂) do pomieszczenia bateryjnego, który w mieszaninie z powietrzem przy stężeniu w zakresie (4–75)% staje się wybuchowy.

Zakres wybuchowości wodoru został przedstawiony na rys. 2.

Rys. 2. Zależność energii zapłonowej od składu mieszanin wodoru z powietrzem, gdzie: Z1 – minimalna energia zapłonu Emin=0,019 mJ, Vd – dolna granica wybuchowości (DGW), Vg – górna granica wybuchowości (GGW); rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [źródło: J. Wiatr, M. Orzechowski, M. Miegoń, A. Przasnyski – Poradnik projektanta systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego – EATON 2008, wydanie II]

Przy stężeniu stechiometrycznym, wynoszącym około 29% wodoru (H₂) w powietrzu, do wybuchu wystarczy energia o wartości 0,019 mJ. W praktyce stosuje się wentylację mechaniczną, choć po spełnieniu określonych warunków dopuszcza się wentylację grawitacyjną.

Sterowanie wentylacją mechaniczną przedziału bateryjnego należy realizować z wykorzystaniem układów detekcji stężenia wodoru. Układy automatyki powinny mieć ustawione dwa progi wykrywania stężenia wodoru:

• 10% DGW, przekroczenie którego zostanie zasygnalizowane przez uruchomienie sygnalizacji akustycznej i optycznej oraz zostanie uruchomiona wentylacja powodująca zwiększenie szybkości wymian powietrza o 100% w stosunku do warunków normalnych,
• 30% DGW, przekroczenie którego spowoduje oprócz dalszego działania sygnalizacji akustyczno-dźwiękowej oraz wentylacji, wyłączenie ładowania baterii akumulatorów do chwili ustania zagrożenia.

Czytaj też: Możliwości zwiększenia niezawodności przy przy zastosowaniu zasilacza UPS >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!