关于电池柜(架)接地问题——电池事故引发的故障分析

1 事故发生
　　
　　①XX企业的二台30kVAUPS,电池是12V/65Ah,其中一台发生电池起火冒烟。烟雾非常大,整个配电室全是烟雾,电气工作人员带防毒用具进入配电室进行操作,因未见明火,消防队到现场没有处置,由电气工作人员进行操作,用风机排烟。现场情况是UPS转旁路工作,有几块电池烧坏。图1为电池烧坏的场景。　

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　　UPS经过检查,有过载和变换器故障报警。经过测试后,启动UPS运行正常,UPS设备没有损坏。电池柜分为五层,其中四层放置电池,一层放置电池开关。电池组检查,共有4块电池损坏,发生在电池柜内同一层(第三层)。设备投入生产几个月,现场分析,电池底部开裂使电解液流出造成电池回路与地短路。
　　
　　②某科研单位的一台200kVAUPS,一块电池爆炸,造成UPS内部起火,将UPS烧坏。
　　
　　2 事故分析
　　
　　在UPS设计和施工安装时,通常是将电池架或电池柜的架体与地线连接,以保证电气安全。可是当电池外壳开裂电解液流出时,会造成电池对地线构成回路,致使发生电池组和UPS故障,甚至严重故障。
　　
　　当电池漏液不严重时,会造成整流器电流过载,整流器关闭,逆变器停机,UPS转旁路工作,不会造成断电。一般情况下清除故障,并且更换新电池后,设备可以恢复正常工作。但电池漏液严重,并且电池内部极板、板栅出问题,造成对地的短路,就会造成大事故。
　　
　　下面按不同电路和拓扑结构,对造成事故的因果关系进行分析。
　　
　　(1) SCR结构整流器
　　
　　SCR结构整流器的原理图如图2所示。
　　

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　　当电池漏液严重,并且电池内部极板、板栅出问题,造成对地短路,发生因电流太大致使整流器的SCR被击穿,无法关闭回路,引起交流电流流入直流系统,造成电解电容器(Cx)损坏,并使电解电容器的电解液喷出,因电解电容器中电解液的导电性引起UPS内部电气的短路,故障扩大使其损毁,严重时设备内部发生着火。
　　
　　SCR整流器(相控),都是角形工作方式,当全波整流时，标准电压380V整流得到540V左右的直流电压。而当电池组中间某一点与地线短路，增加新的电流回路(如图2中的实线电流所示)，则整流器的接线方式就变成星形工作方式，而整流器输出为622V左右的直流电压，这种升压的结果将造成电池组和电解电容器过压，进而引起严重的过电流。SCR击穿后将无法关闭整流器，并且交流电流会流入直流电路中，这就会使电池因过电压充电而损坏甚至起火或爆炸。直流电解电容器也会因电压升高而损坏，并使电解电容器的电解液喷出，因电解电容器中电解液的导电性引起UPS内部电气的短路,故障扩大，致使其损毁,更严重时设备内部着火。
　　
　　(2) IGBT结构整流器
　　
　　IGBT结构整流器的原理图如图3所示。

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　　图中TB1、TB2、TB3构成整流电路,C1x和C2x为滤波电容器,提供直流供电,而TB4构成一个Buck/Boost电路结构,电路在市电正常时供给电池组充电(电路工作在Buck方式)。当市电故障时,电池组向C1x和C2x供电,并保障直流母线电压的稳定(电路工作在Boost方式)。
　　
　　在市电正常工作情况下,电池漏液严重并有电池内部极板、板栅出问题,造成对地短路时,增加了新的电流回路(如图3中的实线电流所示),就会有大电流经过TB4(电路工作在Buck方式),LM检测到超过设定电流时,将会通过控制逻辑电路关闭TB4中IGBT的工作,使其构不成电流的回路。从而降低电池组和UPS设备损坏的程度。
　　
　　在电池漏液严重造成对地短路时,因TB4的二极管的存在,电池组与逆变器及滤波回路放电回路构成电流通路,因此在一些UPS制造商设计时考虑到此,设计输入/输出及电池开关时采用接触器或空气开关安装脱扣器,便于电路异常时,分断回路,保护设备的安全。在电路中有异常时,有效地转换到旁路工作,不使后端负荷设备断电。这样的设计可以对UPS进一步进行保护。
　　
　　3 电池架或电池柜安装问题
　　
　　为电气和人身安全考虑,所有的电气设备外壳均接地线。下面提供几种电池架或电池框的安装方式。处理好电池安装及运行维护保养的工作很重要。
　　
　　①早在上世纪70年代引进的UPS配套的电池柜,每四块电池固定在一个电池托盘(绝缘材料制成)。这样,电池致使产生漏液也不会造成对地短路的问题。
　　
　　②XX国大使馆的UPS电池柜的每层托板为绝缘材料制成,电池不与金属架体接触,有效地解决了电池漏液所造成的对地短路问题。
　　
　　③多数供应商和一些使用者,因各种原因将电池直接放在铁架上,这样一来,电池漏液或电池的短路开裂,会使电池组的部分电极与地线连接,造成事故。
　　
　　④也有电池架体上放置绝缘材料或架体不接地线。
　　
　　4 结束语
　　
　　随着时代的进步,电路的设计更加先进全面,但像电池漏液与地构成短路这种小概率的事故也要重视。否则,发生事故会造成很大的损失。为此,提出如下建议:
　　
　　①在设计方案时,把这些因素考虑进去,可以从绝缘和电气控制保护等多种方法并用,特别是大型数据中心,更要重视;
　　
　　②电池的老化是事故的主因之一,控制好电池工作的环境温度,使电池不要因温度过高而提前老化,订好制度提前进行更换;
　　
　　③重视运行保障工作,对所用设备功能了解清楚,电池底部的漏液不易发现,细小的变化会引发大的故障。

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