Baterie akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS

Akumulatory stosowane w zasilaczach UPS stanowią magazyn energii i w zależności od typu zasilacza przeznaczone są do pracy cyklicznej (zasilacze typu VFD) lub do pracy buforowej (zasilacze typu VFI).

W zasilaczach UPS stosowane są akumulatory klasyczne o gęstości elektrolitu 1,24 kg/l lub akumulatory wykonane w technologii VRLA (Valve 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 tabela 1.

Zagrożenia

W akumulatorach klasycznych wodór oraz tlen stanowiące produkty 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, a wodór w mieszaninie z powietrzem przy stężeniu w zakresie 4–75% staje się wybuchowy. Zakres wybuchowości wodoru został przedstawiony na rysunku 1.

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 oraz zostanie uruchomiona wentylacja powodująca zwiększenie szybkości wymiany 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.

Podstawowe wymagania w zakresie wentylacji przedziału bateryjnego wynikają bezpośrednio z normy PN-EN 62040-1:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1. Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych [6]. Przybliżoną wartość przepływu zapotrzebowanego powietrza w ciągu godziny w [m³/h] można obliczyć z poniższego wzoru [6]:

gdzie:

v – wymagane rozcieńczenie wodoru (100 – 4)/4 = 24,

q – wytworzony wodór: 0,45•10^–3, w [m³/Ah],

s – współczynnik bezpieczeństwa,

I_g – prąd gazowania o wartości:

1 mA – dla baterii „zamkniętych” (z zaworem VRLA) przy zmiennym napięciu,

5 mA – dla baterii otwartych przy zmiennym napięciu,

8 mA – dla baterii „zamkniętych” (z zaworem VRLA) przy stałym napięciu ładowania,

20 mA – dla baterii otwartych przy stałym napięciu ładowania,

n – liczba ogniw baterii, w [-],

C_B – pojemność baterii, w [Ah].

Q_p – ilość wymaganego powietrza, w [m³/h].

Przyjmując współczynnik bezpieczeństwa s = 5, wzór na obliczenie Q_p może być uproszczony:

• dla baterii akumulatorów klasycznych:

• dla baterii akumulatorów VRLA:

Jeżeli w pomieszczeniu z akumulatorami wolna przestrzeń V spełnia następujący warunek:

gdzie:

V_p – objętość pomieszczenia z akumulatorami, w [m³],

V_u – objętość, jaką zajmują akumulatory ze stojakami oraz inne wyposażenie pomieszczenia, w [m³],

to wystarczające jest zastosowanie wentylacji grawitacyjnej, z umieszczonymi po przeciwnych stronach pomieszczenia otworami: dolotowym i wylotowym.

Każdy z tych otworów musi mieć powierzchnię nie mniejszą od określonej poniższym wzorem [6]:

gdzie:

A_p – suma przekrojów otworów zewnętrznych i wewnętrznych, w [cm²].

W takim przypadku otwory wentylacyjne należy umieścić na przeciwległych ścianach. Jeżeli jest to niemożliwe i otwory wentylacyjne muszą zostać wykonane na tych samych ścianach, to odległość pomiędzy nimi nie może być mniejsza niż 2 m. Ten sam wymóg dotyczy instalowania wentylatorów wyciągowych, między którymi odległość nie może być mniejsza niż 2 m.

W pomieszczeniach bateryjnych ważna jest również klimatyzacja, z uwagi na znaczne ilości ciepła wydzielanego przez ładowane lub rozładowywane akumulatory. Dla celów praktycznych ilość ciepła wydzielanego podczas rozładowywania akumulatorów można oszacować z następującego wzoru [6]:

gdzie:

I – przewidywany maksymalny prąd rozładowania, w [A],

n – liczba gałęzi równoległych pracujących w czasie rozładowania, w [-],

Q – ilość ciepła wydzielanego w czasie t, w [J],

R – rezystancja jednej gałęzi szeregowej akumulatorów (rezystancję dla pojedynczego ogniwa podają producenci baterii w swoich katalogach), w [Ω],

t – przewidywany czas rozładowania, w [s].

Typowe rozwiązania

Akumulatory stosowane w zasilaczach UPS posiadają napięcie znamionowe 12 V (rzadziej stosuje się akumulatory o napięciu 6 V). Są one zbudowane z pojedynczych ogniw o napięciu znamionowym 2 V. W razie potrzeby akumulatory te łączy się równolegle w celu zwiększenia ich pojemności lub szeregowo w celu zwiększenia napięcia. Przykładowe warianty układu baterii akumulatorów przedstawia rysunek 2.

Baterie akumulatorów powinny być budowane z ogniw tego samego typu, pochodzących z tej samej serii produkcyjnej – ze względu na rezystancję wewnętrzną, która decyduje o równomierności rozpływu prądów w poszczególnych gałęziach. Zaleca się instalowanie zabezpieczenia zwarciowego w każdym biegunie każdej gałęzi, możliwie blisko akumulatorów. Ponadto należy instalować zabezpieczenia centralne w każdym biegunie, zgodnie z zasadami przedstawionymi na rysunku 3. Dobór zabezpieczeń należy wykonać na podstawie spodziewanego prądu obciążenia znamionowego oraz spodziewanych prądów zwarciowych. Ponieważ rezystancja wewnętrzna akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS jest uzależniona od typu akumulatora i wynosi (0,5–3) mΩ/100 Ah, zwarcie skutkowało będzie przepływem prądów o dużej wartości, co należy uwzględnić przy doborze zabezpieczeń oraz doborze oprzewodowania. Szczegółowe wymagania w zakresie metodyki pomiarów oraz obliczania rezystancji wewnętrznej akumulatorów można znaleźć w normie PN-EN60896-21:2007 Akumulatory ołowiowe. Część 21: Typy z zaworami. Metody badań [7].

Zgodnie z zaleceniami EUROBAT (zrzeszenie europejskich producentów akumulatorów) dotyczącymi akumulatorów VRLA, liczba równolegle połączonych gałęzi akumulatorów, ze względu na prądy gałęziowe, nie może przekraczać czterech.

Pojemność akumulatora podawana jest w Ah lub jako prąd rozładowania w czasie 20 godzin w temperaturze 20°C, do osiągnięcia napięcia końcowego pojedynczej celi U_k = 1,7 V (oznaczenie C20). Oznacza to, że akumulator o pojemności np. Q = 100 Ah będzie rozładowywany prądem o wartości I = Q/20 = 100/20 = 5 A przez 20 godzin. Dla ułatwienia posługiwania się tymi wartościami wprowadzono jednostkę krotności pojemności znamionowej C, która wyraża prąd jednogodzinnego rozładowania określony jako 1C. Cechą charakterystyczną akumulatorów jest to, że im prąd rozładowania większy, tym pojemość dysponowana mniejsza; podobnie: im temperatura niższa, tym pojemność dysponowana mniejsza. Wpływ temperatury i prądu rozładowania na pojemność akumulatora przedstawia rysunek 3.

Żywotność akumulatorów

Podczas eksploatacji akumulatorów bardzo istotne znaczenie ma niedopuszczenie do rozładowania poniżej napięcia końcowego U_k, zwanego powszechnie „napięciem odcięcia”, tj. wartości, przy której po rozładowaniu akumulator zachowuje znamionową pojemność oraz znamionową żywotność. Napięcie to zależy od wartości prądu rozładowania i nie jest wartością stałą w odniesieniu do pojedynczego akumulatora. Przykładowe krzywe rozładowania akumulatora o pojemności 210 Ah w temperaturze 25°C przy różnych wartościach prądu rozładowania przedstawia rysunek 4.

Jeżeli akumulator zostanie rozładowany do napięcia o wartości poniżej krzywej odcięcia, to jego pojemność zmniejszy się oraz zmniejszy się jego żywotność. Napięcie odcięcia dla określonych prądów rozładowania podają producenci akumulatorów. Rozładowanie akumulatora poniżej wartości napięcia odcięcia grozi jego trwałym uszkodzeniem. Każdy akumulator, którego pojemność spadła do wartości 80% jego pojemności znamionowej, należy wycofać z eksploatacji.

Graniczną temperaturą pracy lub przechowywania akumulatorów jest +55°C. Należy jednak pamiętać, że w warunkach eksploatacji temperatura +55°C jest dopuszczona przejściowo. Ciągłe jej utrzymywanie powoduje skrócenie okresu żywotności baterii do około 15% okresu projektowanego czasu eksploatacji.

Każde podwyższenie temperatury pracy akumulatora o 8–10°C ponad temperaturę optymalną powoduje skrócenie czasu eksploatacji o połowę. Podobnie na długość eksploatacji akumulatorów ma wpływ głębokość rozładowania oraz liczba cykli ładowania i rozładowania. Do czynników wpływających na żywotność baterii akumulatorów należy zaliczyć:

• temperaturę otoczenia,
• liczbę oraz głębokość rozładowań baterii,
• napięcie pracy baterii.

Przy rozpatrywaniu wpływu temperatury otoczenia na proces starzenia się baterii znaczenie mają dwie przesłanki:

• szybkość reakcji korozyjnych funkcji temperatury określona równaniem Arrheniusa

gdzie:

R – stała gazowa, w [J/Kxmol],

A – stała Arrheniusa,

E – energia aktywacji, w [kJ/mol],

T – temperatura, w [K],

• szybkość starzenia się baterii, a więc szybkość reakcji korozyjnych.

Zależność temperaturową określa reguła van’t Hoffa: przy wzroście temperatury o 10°K szybkość reakcji rośnie od 2 do 4 razy.

Zależność tę określa następujące równanie:

gdzie:

V₁ – szybkość reakcji trwającej t₁ minut, zachodzącej w temperaturze T₁,

V₂ – szybkość reakcji trwającej t₂ minut, zachodzącej w temperaturze T₂,

ΔT = T₂ – T₁ – przyrost temperatury,

γ – temperaturowy współczynnik reakcji.

Po elementarnych przekształceniach równania (7) z uwzględnieniem równania (8), można zapisać wzór końcowy, opisujący szybkość starzenia się baterii funkcji temperatury otoczenia następująco:

Graficznie równanie to przedstawia rysunek 5. Natomiast wpływ głębokości rozładowania na liczbę cykli rozładowania przedstawia rysunek 6.

W baterii złożonej z wielu szeregowo połączonych ogniw istnieje naturalny rozrzut ich napięć. Graficznie zjawisko naturalnego rozrzutu ogniw baterii przedstawia rysunek 7.

Napięcia te dla odpowiednio liczebnej populacji układają się zgodnie z krzywą rozkładu normalnego w punkcie U_opt, w podanym przypadku = 2,23 V, i odchyleniem standardowym δ ≈ 0,03 V. Z właściwości rozkładu przedstawionego na rysunku 8. wynika, że w zakresie:

• U_opt ⁺/_– δ czyli U∈(2,2–2,26) V – 68% ogniw ogólnej liczby ogniw,
• U_opt ⁺/_– 2δ czyli U∈(2,17–2,29) V – 95% ogniw ogólnej liczby ogniw,
• U_opt ⁺/_– 3δ czyli U∈(2,14–2,32) V – 99,7% ogniw ogólnej liczby ogniw.

Praktyczne znaczenie ma drugi zakres, ale jeżeli weźmie się pod uwagę, jaki wpływ może mieć na pracę baterii choć jedno wadliwe ogniwo, a takim stanie się ogniwo długotrwale niedoładowane, należy przyjąć w praktyce zakres trzeci. Na uwagę zasługuje fakt, że 27% ogniw ma napięcie w zakresie (2,17–2,2) V lub (2,26–2,29) V, co odpowiada odchyleniu napięcia z przedziału (0,03–0,06) V. Takie odchylenie napięcia skutkuje zmniejszeniem żywotności baterii do poziomu (81–90)% projektowanej żywotności. Pozwala to na wyciągnięcie ważnego wniosku: żywotność baterii jest zmniejszona średnio do poziomu 80% z powodu naturalnego rozrzutu napięć ogniw, który jest nieunikniony.

Długotrwałe poddanie baterii podwyższonemu lub obniżonemu napięciu podczas pracy buforowej prowadzi do przyspieszonego starzenia, co skutkuje utratą żywotności. Wzrost lub obniżenie napięcia o każde 0,2 V w stosunku do wartości optymalnej powoduje zmniejszenie żywotności baterii dwukrotnie.

Spodziewaną żywotność baterii funkcji odchylenia napięcia można wyrazić wzorem [11]:

gdzie:

L_zn – znamionowa żywotność baterii, w [-],

ΔU – odchylenie napięcia od wartości nominalnej, w [V].

Zależność żywotności baterii w funkcji odchylenia napięcia przedstawia rysunek 8.

Producenci akumulatorów w kartach katalogowych podają charakterystyki stałoprądowego oraz stałomocowego rozładowania. Charakterystyki te są analogiczne i podawane w postaci tabel. Przykładową charakterystykę stałomocowego rozładowania dla akumulatora o pojemności 210 Ah przedstawia tabela 2. 

Baterie akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS powinny być dobierane do mocy znamionowej zasilacza.

Za podstawę doboru należy przyjąć wymaganą moc czynną/ogniwo, którą należy wyznaczyć z poniższego wzoru:

gdzie:

P_ogn – wymagana moc czynna pojedynczego ogniwa przy stałomocowym rozładowaniu akumulatora do określonego napięcia odcięcia U_k, w [W/ogniwo],

S – znamionowa moc pozorna zasilacza UPS, w [VA],

cosφ_z – współczynnik mocy, przy którym pracuje zasilacz UPS (współczynnik mocy zasilanych odbiorników), w [-],

η – sprawność zasilacza UPS, w [-],

n – liczba ogniw w akumulatorze (przy napięciu akumulatora 12 V – 6 ogniw; przy napięciu akumulatora 6 V – 3 ogniwa),

U_{n UPS} – napięcie znamionowe zasilacza UPS, w [V],

U_{n akum.} – napięcie znamionowe akumulatora, w [V],

– wymagana liczba akumulatorów w pojedynczej gałęzi szeregowej, w [-].

Kolejnym ważnym parametrem akumulatora jest rezystancja, która ma wpływ na wydatki prądowe, które narzucają wymagania w zakresie odporności zwarciowej dobieranych aparatów elektrycznych. Ma ona szczególne znaczenie dla krótkich czasów rozładowań. Dla czasów rozładowań wynoszących co najmniej 3 godziny rezystancja wewnętrzna akumulatora nie ma istotnego wpływu na wydatki prądowe akumulatora.

Wartość rezystancji wewnętrznej akumulatora jest bardzo mała i wynosi:

• (1–3) mΩ/100 Ah dla akumulatorów klasycznych
• (0,5–3) mΩ/100 Ah dla akumulatorów VRLA.

Producenci podają rezystancję wewnętrzną dla akumulatorów nowych. Jest ona obliczana na podstawie pomiarów w dwóch punktach, zgodnie z rysunkiem 9. 

Pierwszy pomiar prądu i napięcia wykonuje się po czasie (20–25) [s] od momentu załączenia akumulatora na rozładowanie prądem o wartości (4–6)•0,1C. Drugi pomiar prądu i napięcia wykonuje się przy rozładowaniu akumulatora wykonywanym po pierwszej próbie z opóźnieniem trwającej (2–5) minut, prądem o wartości (20–40)•0,1C (gdzie: 0,1 C = [Q [Ah] : T =10 h)] – prąd rozładowania dziesięciogodzinnego).

Rezystancję akumulatora, zgodnie z wymaganiami norm [7] oraz [8], wyznacza się z wykorzystaniem wzoru (12), dla którego metodykę wyznaczania prądu i napięcia przedstawia rysunek 9.:

Przykład

Dobrać akumulatory, posługując się charakterystyką stałomocowego rozładowania przedstawioną w tabeli 1., oraz ich zabezpieczenia do zasilacza UPS o mocy 400 kVA, zasilającego odbiorniki przy współczynniku mocy cosφ_z = 0,8 oraz sprawności zasilacza η = 0,9. Napięcie odcięcia U_k = 1,7 V/ogniwo. Wymagany czas pracy zasilanych odbiorników wynosi 30 minut.

Rezystancja wewnętrzna akumulatora R_w = 2,5 mΩ.

Wymagana liczba gałęzi równoległych „x” oraz moc czynna w pojedynczej gałęzi P_1g:

na podstawie tabeli 1., P_{ogn dysp} = 471,5 W/ogniwo/_{Uk = 1,7 V/t = 30 minut}

Spodziewany prąd obciążenia pojedynczej gałęzi:

Spodziewany prąd obciążenia całej baterii akumulatorów:

Spodziewane prądy zwarciowe:

• zwarcie w pojedynczej gałęzi:

• zwarcie obejmujące całą baterię akumulatorów:

Do zabezpieczenia poszczególnych gałęzi należy przyjąć bezpieczniki topikowe WT1gG250, natomiast do zabezpieczenia głównego – bezpieczniki topikowe WTN3gG1000. W obydwu przypadkach odporność zwarciowa dobieranych bezpieczników jest wystarczająca.

Przedstawione w przykładzie rachunkowym spodziewane wartości prądów zwarciowych wykazują kolejne zagrożenie występujące przy eksploatacji baterii akumulatorów, często lekceważone przez obsługę. Brak skutecznej wentylacji pomieszczeń bateryjnych w praktyce kończy się tragicznie, czego dowodem są zdjęcia z wybuchu w pomieszczeniu bateryjnym (fot. 1.). 

W prezentowanym zniszczonym pomieszczeniu bateryjnym wybuch nastąpił wskutek przekroczenia DGW przez wodór zawarty w powietrzu podczas przepływu prądów zwarciowych.

Wnioski

1. Zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. Nr 109/2010 poz. 719), za pomieszczenie zagrożone wybuchem należy uznać pomieszczenie, w którym spodziewany przyrost ciśnienia przekracza wartość 5 kPa. Spełnienie wymagań określonych w referacie pozwala na niekwalifikowanie pomieszczenia bateryjnego jako zagrożonego wybuchem. Stan ten umożliwia stosowanie wentylatorów niespełniających wymagań urządzeń przeciwwybuchowych.
2. Wymagania bezpieczeństwa stawiane pomieszczeniom bateryjnym dotyczą również szaf bateryjnych, dla których skutecznym rozwiązaniem jest zastosowanie akumulatorów VRLA o specjalnej konstrukcji z centralną komorą gazową obejmującą wszystkie zawory ogniwowe bloku. Gazy z komory gazowej należy usuwać poza szafę systemem elastycznych węży do pomieszczenia wyposażonego w wentylację spełniającą wymogi określone w referacie.
3. Spodziewane wartości prądów zwarciowych wymagają bardzo precyzyjnego doboru przewodów oraz zabezpieczeń.
4. Prowadzenie czynności eksploatacyjno-obsługowych w pomieszczeniu bateryjnym należy wykonywać ze szczególną ostrożnością, ze względu na spodziewane duże prądy zwarciowe oraz występowanie napięć o wartościach większych od wartości dopuszczalnych długotrwale. Wszystkie elementy wyposażenia należy objąć połączeniami wyrównawczymi oraz wykonać izolowaną podłogę zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-41:2009 (2017-09) Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Instalacje dla zapewnienia bezpieczeństwa. Część 4-41: Ochrona przed porażeniem elektrycznym.

Literatura:

1. T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy, COS i W SEP 2007.
2. A. Czerwiński, Akumulatory, baterie, ogniwa, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności 2013.
3. Podręcznik projektanta systemów sygnalizacji pożarowej – SITP, ITB, Warszawa, marzec 2009.
4. J. Wiatr, M. Orzechowski, M. Miegoń, A. Przasnyski, Poradnik projektanta systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego, EATON 2008, wydanie II.
5. Z. Łęgosz, Stacjonarne baterie kwasowo-ołowiowe w systemach zasilania potrzeb własnych. Dobór baterii do aplikacji, ETC Plus Ostrowiec Świętokrzyski.
6. PN-EN 62040-1:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1. Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych.
7. PN-EN 60896-21: 2007 Baterie ołowiowe stacjonarne. Część 21. Typy wyposażone w zawory. Metody badań.
8. PN-EN 60896-11:2007 Baterie ołowiowe stacjonarne. Część 11. Ogólne wymagania i metody badań.
9. Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów [Dz.U. Nr 109/2010 poz. 719].
10. Karta katalogowa akumulatora EPL 210-12, www.europower.eu, dostęp 4.07.2018
11. Opracowanie 323/Z5 do pracy Nr 0500038 Instytutu Łączności – Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa grudzień 2008.
12. J. Wiatr, K. Herlender – Baterie akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS oraz warunki ich bezpiecznej eksploatacji – materiały konferencyjne ELSAF 2017 – Szklarska Poręba 20-22.09.2017.