模塊化UPS電源設備的配置

摘 要：模塊化UPS電源是重要的電氣設備，為高效發(fā)揮其功能，從模塊化UPS電源設備的主要組成部分——主機柜、強電柜、蓄電池、電池開關柜、電池架、連接線纜等方面，分析了合理配置模塊化UPS電源的方法，為我國碳達峰和碳中和目標的實現提供了思路。

關鍵詞：UPS電源;開關;電池;線纜;配置

中圖分類號：TN86 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0010-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.003

0 ? ?引言

UPS電源設備是一種含有儲能裝置的不間斷電源。當交流電源正常供電時，UPS電源設備可看成一臺穩(wěn)壓穩(wěn)頻的電源，輸入電源既向蓄電池組充電又向逆變器供電，逆變器輸出潔凈的交流電源;當交流電源斷電時，由蓄電池組經逆變器向負載供電。

UPS電源有如下用途：

一是應急使用，防止重要的用電負荷因突然斷電而影響設備正常工作，給用電設備造成損害;

二是消除市電的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓和頻率偏移等“電源污染”，改善電源質量，為用電設備提供高質量的電源[1-2]。

模塊化UPS是把UPS的功率部分單獨做成一個個功率模塊，每個功率模塊并聯輸出，全部功率模塊同時工作，均分負載，系統(tǒng)中任意一個模塊故障，不影響負載系統(tǒng)的正常工作。

模塊化UPS的特點之一是功率部分很容易實現冗余功能，從而大大提高UPS供電的可靠性，而且維護非常方便，當某個模塊故障時，可直接帶電熱插拔更換模塊，維修時間非常短。

另外，模塊化UPS后期還可以擴容，當容量需求增大時，新增功率模塊即可實現。

每套模塊化UPS電源設備主要由主機柜、強電柜、蓄電池組、電池開關柜、連接線纜等組成，合理配置每個部件的容量、規(guī)格和大小，是模塊化UPS電源設備有效發(fā)揮作用的前提。

1 ? ?主機柜的配置

UPS主機柜主要包含模塊化的功率模塊、控制模塊、靜態(tài)旁路模塊、通信系統(tǒng)模塊等，主機柜的作用就是整流和逆變，實現穩(wěn)壓穩(wěn)頻。主機柜的配置主要需確定主機的規(guī)格和功率模塊的大小及數量。首先要考慮主機總容量，主機總容量既要滿足當前負荷需求，還要適當考慮未來用電負荷增長需求，即可擴充容量，這也是模塊化UPS電源設備的特點之一，即容量可擴展。根據需求確定好額定容量后，可對可擴充容量進行估算，一般可擴充容量可按不低于額定容量的10%～20%進行配置，如果預計未來用電設備負荷增長明顯，也可適當放大。

同時要根據系統(tǒng)容量來確定單個功率模塊大小，不宜過大，也不宜過小。單個功率模塊過大，則不能有效分擔系統(tǒng)風險;單個功率模塊過小，則模塊數量太多。同時也要考慮冗余功率模塊，提高其可靠性，一般至少配置一個冗余功率模塊。

以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，由于容量較大，系統(tǒng)可采用單個容量為25 kVA的功率模塊，模塊數量為300÷25=12個，同時配置一個冗余功率模塊，即總功率模塊數為13個，總容量為13×25=325 kVA。如果考慮未來負荷增長需求，按單機系統(tǒng)可擴容量不低于額定容量20%進行配置，300×1.2=360 kVA，模塊數量為360÷25≈15個，同時配置一個冗余功率模塊，即總功率模塊數為16個，未來總容量可擴容為16×25=400 kVA。因此，UPS主機需選擇容量至少可滿足400 kVA的型號。

可見，對當前和未來的用電負荷需求要有清晰的估計和判斷，以便合理選擇UPS電源的容量。既要避免容量過大，造成負載率偏低，否則不僅會影響UPS電源的使用效率，而且會造成電源畸變率過大，影響電源品質;也要避免對未來容量增長需求估計不足，造成可擴充容量無法滿足實際需要，不得不重新增加UPS電源設備以及配套的電源進線、出線、機房等，帶來比較大的改動和調整，既增加了建設成本，同時改造工程還不可避免地會對現有設備和系統(tǒng)造成一定影響，大大降低改造效率。

2 ? ?強電柜的配置

強電柜一般由UPS電源設備主輸入開關、輸出開關、旁路開關、手動維修旁路開關、防雷器、接線母排等器件組成，主要功能是實現對UPS電源設備的安全配電，在UPS電源設備檢修和維護時可以完全隔離UPS電源主機，通過維修旁路向負載提供不間斷電源。

強電柜的配置主要是確定開關的大小，可根據UPS電源設備的容量（按可擴充最大容量考慮），計算出主輸入電流大小，以此選擇各個開關的大小。

UPS電源設備主輸入電流計算公式為：

式中：I為UPS電源設備主輸入電流（A）;Pu為UPS電源設備容量（kVA）;U為UPS電源設備的額定輸入電壓（V）。

以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，系統(tǒng)額定容量為300 kVA，未來擴容后的容量為400 kVA，輸入電壓為380 V，按照公式（1），則UPS電源設備主輸入電流為：

根據低壓電器選用規(guī)范可得：

（1）UPS電源設備主輸入開關可配置額定電流為800 A的開關;

（2）旁路輸入開關可配置額定電流為630 A的開關;

（3）總輸出開關可配置額定電流為630 A的開關;

（4）手動維修旁路開關可配置額定電流為630 A的開關。

強電柜的配置，要從長遠角度考慮，按UPS電源設備的可擴充最大容量進行開關及線纜的選型與配置，避免后期UPS電源擴容后，主要開關無法滿足實際需要的情況。雖然從短期看，按UPS電源設備的可擴充最大容量進行開關及線纜的選型和配置會增加一定成本，但是從全生命周期的角度考慮，一次配置到位，避免了二次拆改，實際上不但節(jié)約了建設成本，還節(jié)約了時間成本。

3 ? ?蓄電池的配置

蓄電池主要對UPS主機提供直流電源，實現市電故障時的電力供應。UPS電源設備后端接入蓄電池組作為備用供電，當市電正常時，蓄電池組進行充電（均充或浮充）;當市電停電時，蓄電池組對UPS主機放電，UPS主機將直流轉換成交流對負載供電。

蓄電池的配置主要是確定電池的規(guī)格和數量，首先要計算出每組電池的數量，計算公式為：

式中：n為每組蓄電池單組數量（只）;Ug為UPS主機的額定直流工作電壓（V）;Ud為每只電池的額定工作電壓（V）。

其次，要計算出單組電池組的容量，計算公式為：

式中：Sah為單組電池組的容量（Ah）;Swh為UPS電源設備的最小電池需求容量（W·h）;n為每組后備蓄電池組的只數;Ud為每只電池的額定工作電壓（V）。

以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，后備時間為30 min，單臺UPS電源設備的最小電池需求容量為347 904 W·h，選用單只額定工作電壓為12 V的鉛酸蓄電池，UPS主機直流工作電壓為576 V，按照公式（2），則每組蓄電池的數量為：

即每組蓄電池數量為48只。按照公式（3），則單組蓄電池組的容量為：

即單組電池組容量為604 Ah?？紤]分組設置，為保證蓄電池充放電的一致性，后備蓄電池組數一般不應超過4組。如按分為4組電池進行配置，則每組電池容量為604÷4=151 Ah。

對照電池規(guī)格表，可以選擇單只額定電壓為12 V、容量為160 Ah的鉛酸蓄電池，總計4組，每組48只，總容量為160×4×48×12=368 640 W·h，368 640 W·h大于UPS電源設備的最小電池需求容量347 904 W·h，滿足要求。

蓄電池的配置一方面要從容量的角度考慮留有余量，滿足實際使用需要，另一方面要從電池技術的角度考慮，綜合衡量技術、成本、維護及環(huán)保要求。目前，鉛酸電池、膠體電池、鋰電池等技術發(fā)展日新月異，不同技術路線在成本、使用壽命、維護要求、環(huán)保方面差異很大，應結合實際需要綜合考慮，從而實現全局優(yōu)化配置。

4 ? ?電池開關柜的配置

電池開關柜一般由柜體、直流空氣斷路器、指示燈、熔斷器、接線母排等器件組成，主要功能是實現UPS系統(tǒng)與電池（直流）系統(tǒng)的安全供電。為了便于檢修維護，通過對電池組設置直流開關加速溶保險的方式，實現分組管理。當某組出現問題時，能及時將其脫離蓄電池系統(tǒng)，利用直流空氣開關過流自動脫離工作狀態(tài)的原理，保證主機或電池端出現故障大電流時，對另一端起到保護作用。利用速溶保險實現某一組電池出現過流時自動熔斷，保證其他電池組正常工作;同時，檢修時可通過斷開該裝置實現電池組依次檢修，不影響設備正常工作。

電池開關柜的配置，主要是確定開關的大小。首先要計算出總直流輸出電流大小，再根據輸出電流選擇主輸出開關和支路開關。

總直流輸出電流計算公式為：

式中：I為總直流輸出電流（A）;Pu為UPS容量（kVA）;Q為功率因數;Uz為單只蓄電池的終止電壓（V）;n為每組后備蓄電池只數。

以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，其未來容量按可擴充至400 kVA考慮，功率因數Q取0.9，經查詢電池參數表可知，單只蓄電池額定電壓為12 V的電池，其終止電壓為10.5 V，每組有48只蓄電池，按照公式（4），則直流總輸出電流為：

根據計算結果及低壓電器選型規(guī)范，容量為300 kVA的UPS電源設備，其電池開關柜的總直流開關可選擇額定電流為800 A的開關;匯流裝置選型材料要求與總直流空開一樣，能承受800 A的電流。各支路直流空開的配置，應滿足其中一路出現故障，其余支路能滿足額定直流電流需求的原則進行配置。由于整個電池組分為4組，因此支路空開額定電流應大于714÷（4-1）=238 A。根據計算結果及低壓電器選型規(guī)范，支路空開可選用額定電流為400 A的開關。

電池開關柜的配置與強電柜的配置類似，主要是合理選擇開關的大小。不同之處是，強電柜選用的是交流開關，電池開關柜選用的是直流開關，但基本思路一致，此處不再贅述。

5 ? ?電池架（柜）的配置

電池架（柜）主要用來放置蓄電池組，可分為電池架和電池柜等類型。

為方便電池安裝及后期檢修和維護，一般容量大于100 kVA的UPS電源設備，可考慮采用開放式電池架，方便散熱。容量小于100 kVA的UPS電源設備，可采用電池柜，簡潔美觀。

電池架（柜）的配置主要是確定電池架（柜）的尺寸，電池架（柜）的尺寸可根據蓄電池的尺寸來選擇，同時要考慮到電池的重量，電池架擺放的層數也不宜過多，以免不符合建筑結構的載荷要求。

以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，由于選用的額定工作電壓為12 V、容量為160 Ah的電池尺寸長約500 mm，寬約220 mm，高約230 mm，考慮到載荷和安裝檢修的便利性，采用電池架的形式。每個電池架可按放置4層，每層放置2列，每列放置6只，每層共12只蓄電池進行布置。

因此，每個電池架長度最小應滿足220×6=1 320 mm，考慮到電池、線纜安裝及后期運行維護空間，電池架長度可選用1 700 mm的規(guī)格;電池架寬最小應滿足500×2=1 000 mm，考慮到電池、線纜安裝及后期運行維護空間，電池架寬度可選用1 200 mm的規(guī)格;電池架高度最小應滿足230×4=920 mm，考慮到電池、線纜安裝及后期運行維護空間，電池架高度可選用1 500 mm的規(guī)格。因此，每個電池架的尺寸為1 700 mm×1 200 mm×1 500 mm，共需4個電池架。

電池架（柜）的配置主要是預留好操作空間，不但有利于電池安裝時的組裝和線纜連接，同時也方便后期電池的測量和維護，更重要的是還有利于電池散熱，延長其使用壽命。

6 ? ?線纜的配置

線纜主要包括連接強電柜至UPS主機柜、主機柜至電池開關柜、電池開關柜至每組電池開關以及電池內部之間的線纜、銅鼻子、冷縮頭等，主要功能是實現UPS主機與電池開關柜之間、電池開關柜與電池組之間、電池與電池之間的線路連接，使所提供的設備供電線路形成整體互聯互通。

線纜的質量與線徑的大小是否合適關系密切，是保證整個供配電線路安全的重要一環(huán)，配置、選型不合理會帶來災難性后果甚至毀滅性故障的發(fā)生。線纜的配置主要是確定連接線纜的規(guī)格，線纜配置的基本原則是電線電纜的載流量應大于開關的額定電流，開關的額定電流應大于回路的計算電流，必須符合過負荷檢驗保護條件。

電力電纜線徑選型驗證公式為：

Ib≤In≤Iz（5）

式中：Ib為回路計算電流（A）;In為保護電器開關的額定電流（A）;Iz為電線電纜持續(xù)載流量（A）。

以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，配置UPS主機柜與電池開關柜之間的線纜。直流總輸出計算電流為714 A，即回路計算電流Ib=714 A。開關額定電流為800 A，即In為800 A。如采用BV絕緣電線明敷，在明敷環(huán)境溫度為30 ℃、導電線芯最高允許溫度為70 ℃時，考慮一定余量，查詢電線載流量手冊可知[3]，單根截面積為150 mm2的電線載流量為456 A，則兩根截面積為150 mm2的電線雙拼，總計載流量約為912 A，即Iz為912 A。

按照公式（5）進行驗證，714 A<800 A<912 A，滿足要求。

因此，UPS電源主機柜與電池開關柜之間的線纜可選擇兩根截面積為150 mm2的電線雙拼進行敷設。同理，強電柜與主機柜之間的線纜、電池開關柜與每組電池開關之間的線纜、電池內部連接的線纜等也可依次確定。

當然，電線電纜的載流量通常是在給定基礎條件下的參考值，當實際敷設條件發(fā)生變化時，還應該根據實際情況以不同的基準條件乘以不同的校正系數予以修正。

連接線纜其實很重要，但很容易被忽視。因連接線纜規(guī)格不滿足要求而在使用過程中造成電池損壞的情況經常發(fā)生，因此，連接線纜應該經仔細核算后合理配置，避免造成不必要的事故。

7 ? ?結語

模塊化UPS電源是非常關鍵的電氣設備，在航天、醫(yī)藥、銀行、交通、通信等行業(yè)的數據中心、弱電機房、網絡設備等領域廣泛應用，發(fā)揮著至關重要的作用。合理配置模塊化UPS電源各個主要組成部分，包括主機柜、強電柜、蓄電池、電池開關柜、電池架、連接線纜等的規(guī)格、容量和大小，不但能高效發(fā)揮其功能，而且可以節(jié)約設備投入成本，延長設備使用周期，為我國碳達峰和碳中和目標的實現貢獻力量。

[參考文獻]

[1] 李考明.UPS電源系統(tǒng)的維護與管理[J].通信電源技術，2011，28（1）：69-70.

[2] 孫博.UPS電源設備的原理與使用維護[J].通信電源技術，2010，27（3）：68-70.

[3] 戴瑜興，黃鐵兵，梁志超.民用建筑電氣設計數據手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

收稿日期：2022-02-14

作者簡介：宋勝利（1983—），男，陜西人，高級工程師，研究方向：電氣工程、機電設備等。