浅谈通信机房UPS电源的设计与维护

【摘要】UPS在通信机房中的使用越来越广泛，为保障通信设备的运行发挥了重要的作用，如何设计好UPS电源系统以及如何维护好UPS电源系统，是人们比较关心的两个问题。本文从UPS电源的结构出发，对UPS的分类和在通信机房中的供电方案进行了探讨，对系统的设计和实际运行维护中可能遇到的问题进行了分析，并提出了解决的意见和建议。
【关键词】UPS系统设计维护

一． UPS电源
UPS(Uninterruptible Power System)，它主要由整流器、逆变器和蓄电池、静态开关等组成，UPS电源具有良好的稳压功能，当市电电网停电或瞬间断电时，UPS电源能自动将蓄电池储存的直流电逆变为交流电，不间断地继续向负载供电。
（一）UPS电源的分类
按其工作方式一般可分为后备式、在线式和在线互动式几种。
后备式UPS电源，在市电正常供电时，市电通过交流旁路通道直接向负载供电，此时主机上的逆变器不工作，它的特点是：结构简单，体积小，成本较低，但输入电压范围窄，市电正常时无净化电网污染功能，输出电压稳定精度差，转换时间较长，功率等级通常在0.25-2KVA左右。
在线式UPS电源，在市电正常时，它首先将交流变成直流电，并同时给蓄电池充电，立即改为由蓄电池逆变器对负载供电，保证负载连续不断地稳定工作。它的特点是：有较宽的输入电压范围，无切换时间，且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的场合，但是成本较高。
在线互动式UPS电源，是一种介于后备式和在线式之间工作方式的UPS电源。它的特点是：有较宽的输入电压范围，噪音低，体积小等，市电正常时基本无净化电网污染功能。
以下是几种工作方式的UPS的比较：

（二）UPS电源的功能和作用
UPS电源广泛使用在各类通信机房，为通信设备提供电力保障，UPS在通信机房中的作用主要有两个方面：一是提供高可靠性不间断供电；二是对电网的稳压和净化，为通信设备提供高质量的交流供电电源，确保通信设备正常工作。
UPS设备一般应具备四大功能，即不间断供电供电功能、电网稳压和净化功能、电池管理功能、智能监控功能。

二、UPS电源系统的设计
（一）UPS供电方案的设计
通信机房用的UPS电源通常都采用在线式，并且要求有冗余备份，按照结构方式，可分为并机系统和串联系统。
主从串联热备份方式，就是将从机的输出作为主机的旁路输入，从机平常处于热备份、空载状态，全部的负载由主机带载。只有当主机切换到旁路工作时，从机才能进行带载。该方案的优点是：易于安装调试，主要用于中小功率系统，缺点是设备老化程度不同、系统转换可靠度低，不能扩容。
为解决输出单点的问题，可采用双路UPS组成的双母线供电系统，该系统可与服务器等双路冗余电源的设备实现最佳配合，同时又解决了供电线路79%的故障概率问题，最佳的IDC机房的供电方案应该采用双路UPS组成的双母线供电系统。此外，双路UPS组成的双母线UPS供电系统，还能实现系统在线扩容、在线维护等要求。
　　静态转换开关（STS）是一种固态的、三极、双位的转换开关，是设计用来实现两个同步三相交流电源之间进行不间断（<5ms）转换的装置，该两路交流电源的幅度、频率和相位差应控制在一定的范围内。STS的所有的转换都是快速的先断后合，主电源及备用电源之间不会产生冲击电流，所有的转换都在<5ms的时间内完成。
（二）UPS系统容量的配置
UPS电源容量要根据设备负荷情况确定，合理的UPS电源负载应当是其额定功率的25%～80%，考虑到用户负载启动时的冲击，一般情况下最佳负载容量应为UPS额定容量的70%~80%。如果负载太小，电池不能充分放电，会对电池的维护不利。
不间断电源系统的基本容量可按下式计算：
E≥1.2P
式中：E—不间断电源系统的基本容量(不包含备份不间断电源系统设备)[(kW／kV•A)]；P—电子信息设备的计算负荷[(kW／kV.A)]。
（三）蓄电池容量的配置
蓄电池容量的选择要根据实际负载的大小和所要求的备用时间来决定。最大电流法因其计算方便快速，一般用于大概估算蓄电池的后备时间，但存在一定的误差，恒功率法则相对较准确些，在实际应用中还需考虑环境温度、电池质量、不同品牌间的差异等因素。以下是最大电流法的计算方法：
　　蓄电池最大放电电流值按下式计算：
　　Imax=P×cos∮/(η×E临界×K)
　　式中,Imax——蓄电池最大放电电流；
　　P——UPS视在功率(VA)；
　　cos∮——负载功率因数（计算机类负载为0.7左右）；
　　η——UPS逆变器效率（0.85~0.90）；
　　E临界——蓄电池组临界放电电压（V）；(12V蓄电池单体的临界放电电压，
对于大电流放电时取10V，对于小电流放电时取10.5V)。
K——电池的放电效率（可取0.95）
　　
　　计算出蓄电池最大放电电流值后，再根据用户所要求的备用时间，从蓄电池厂家所提供的蓄电池放电特性曲线查出电池组的放电率，按公式式：蓄电池标称容量C(AH)=蓄电池实际最大放电电流Imax (A)/蓄电池放电速率，得出应该配置的蓄电池容量值。
计算出蓄电池的容量后，再根据蓄电池的型号和连接方式，确定电池柜的尺寸数量等。UPS供电系统后备电池组并联组数不宜超过4组，后备时间一般应保证满负荷工作60分钟以上。
（四）配线选择
合理选择配线是很重要的，线径太细，容易发热而引起火灾；线径太粗则会造成浪费，而且施工困难。根据金属导线的电气特性，一般多股铜芯线容量为6A/ m㎡。考虑到UPS不平衡的问题，UPS输入、输出交流电缆应选用四芯同截面的阻燃铜电缆。
　　
三、UPS电源的维护
　UPS的维护工作主要包括对主机、电池、配电系统等的维护。
（一）主机的维护
1、保持机房环境清洁和温度。UPS电源应安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，机房环境应保持清洁，空气中漂浮的灰尘进人UPS后 , 会对其内部器件造成腐蚀或短路，从而影响UPS 的正常工作甚至损坏。
2、定期检查运行参数。定期进行UPS各项功能测试；定期检查电池及配电部分引线及端子的接触情况，检查馈电母线、电缆及软连接头等各连接部位的连接是否可靠，并测量压降和温升； UPS滤波电容使用超过三年应重点维护。
3、定期检查负载情况。当双系统UPS中某套系统出现故障，或者单系统UPS中某台UPS设备出现故障不能正常工作时，其余UPS设备的单机负荷率最大不应超过80％。UPS系统输出端应尽量做到三相平衡，中性线电流（含三次谐波叠加产生的电流）不宜大于相线电流的50％。
（二）蓄电池组的维护
1、正确设置电池充电参数。浮充电压的设置对电池的寿命具有相当的影响，浮充电压应严格按厂家说明书来设定。浮充电压过低，会使电池充电不足和电极硫酸盐化。
2、定期检查、测量电池电压。在线测量各电池端电压，如各单体电池压偏差过大时，要进行均充。充电电流不得大于0.2C10。
　 3、定期进行电池组带载测试。每半年做一次核对性放电试验，放出额定容量的30～40％，每年一次容量试验，放出额定容量的80%。
4、如果长时间没有停电，应每隔3个月左右关闭市电，让UPS电池对负载放电一次以保持电池的活性。在放电过程中应避免过大或极小电流放电，放电电压不得低于蓄电池的终止电压，避免电池深度放电。
5、及时更换电池。为确保通信设备的安全，阀控式密封蓄电池使用6年以上或容量低于80%额定容量的应进行更换处理。更换电池应整组更换，不同品牌、不同型号、不同生产日期的电池不能混用。
（三）配电设备的维护
配电系统故障是影响UPS 供电可靠性的最大因素，因此，必须加强防范，并注意以下几个方面：
1、负载配电柜的零地电压应控制在1V以内。零地电压对通信设备的影响，主要表现在：引起硬件故障，烧毁计算机接口设备；引发控制信号的误动作；影响数据传输质量等。
2、定期巡视，检查各电器元件和部件的温升不得超过规定的温度；检查配电系统继电保护必须配套，避免失配过大导致继电保护失效；检查检查、调整三相电流不平衡度≤25％。
3、及时更换老化设备，防止设备超期使用。UPS主机的使用年限一般为8年，输入输出配电系统的使用年限一般为15年。设备使用到年限时，应对设备的性能进行评估，并作相应的处理。

四．结束语
UPS供电方案的好坏，决定了通信机房内重要负载是否能可靠运行，科学的设计可避免日后在维护中可能遇到的各种问题。只有对UPS电源进行科学的设计、正确地使用、认真地维护，减少其故障率、延长其使用寿命才能真正为通信设备提供有效的保障。
　　
参考文献
电视机房UPS电源的设计与维护《今日科苑》2010年12期张彦平

学术指导老师

学术指导老师二维码