蓄電池連接設施的安全載流量核算及配置

張永紅，王永虎，楊利國，張金順，顏為榮，謝愛玲

（中國聯通甘肅省分公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

電源是通信網絡的心臟，負責給各類通信電子類設備提供必需的電力供應。為保證通信暢通和穩定運行，在網絡建設之初即配置了高頻開關電源和UPS不間斷電源系統，承擔著為通信設備提供需要的可靠電源的作用，同時更是將通信設備與市電實現有效的電氣隔離，避免因市電故障影響通信網絡的正常運行。而高頻開關電源和UPS系統等必須包含的主要配套設施，就是蓄電池。

目前通信行業使用的主流產品為閥控式密封鉛酸蓄電池，各主要供應商依據我國的通信行業標準YD/T 799—2010《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》，所供產品技術成熟、性能穩定，在通信行業有著十分廣泛的應用，為保障網絡暢通發揮了十分重要的作用。

實際應用過程中，單個的蓄電池無法承擔存儲大量電能的業務需求，通信機房內基本上都是按照多只單體蓄電池串聯成蓄電池組的方式工作。而將多只電池連接成組的連接設施（連接軟線或者銅排），也是蓄電池乃至通信電源系統的重要組件。

但是受到相關技術標準和規范的缺失、以及商業利益的驅動，近年來多次出現電池供應商偷工減料、大幅縮小連接產品的截面積的問題，直接影響了產品的載流量，在特殊工況、甚至是正常工況下都可能造成嚴重發熱、引發火災的巨大風險，給通信網絡的供電安全埋下了巨大的隱患。圖1為某廠家同一型號蓄電池組前后不同批次供貨時配備的連接銅條，從原來的30 mm×12 mm的銅條直接縮水成30 mm×3 mm，截面積（載流量）銳減到原來的四分之一！在較大電流放電的工況下，將直接導致連接銅條及電池樁頭溫升過高、嚴重折損電池壽命、甚至中斷供電導致通信業務阻斷！因此，研究蓄電池組之間的連接設施、制定相關技術規范和標準，十分重要且十分必要。

圖1 某廠家同型號蓄電池組的連接條前后對比

1 現有行業標準的相關技術要求

1.1 行業標準YD/T 799—2010《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》

（1）第6.7節，大電流放電：蓄電池以30I10放電3 min，極柱應不熔斷、內部匯流排應不熔斷，其外觀應不出現異常。

（2）第6.15節，電池間連接電壓降：蓄電池間的連接電壓降，ΔU≤10mV。

（3）第7.16節，電池間連接電壓降：蓄電池按1 h率電流放電時，測量相鄰兩只蓄電池之間的連接條壓降（在蓄電池的極柱根部測量），其值應符合第6.15節的要求[1]。

1.2 國家標準GB 51194—2016《通信電源設備安裝工程設計規范》

第9.0.4節，當按滿足電壓要求選取直流放電回路的導線時，直流放電回路全程壓降值應符合下列規定：

（1）48 V電源不應大于3.2V；

（2）24 V電源不應大于2.6V；

（3）240 V、336 V電源不應大于12V；

（4）采用太陽電池的供電系統中，太陽電池至直流配電屏的直流導線電壓降可按1.7 V計算[2]。

1.3 國家標準GB 51199—2016《通信電源設備安裝工程驗收規范》

第6.2.5節，電池間隔偏差不應大于5 mm，電池之間的連接條應平整，連接螺栓、螺母應擰緊，并應在加裝塑料盒蓋或在螺栓、螺母上涂一層防氧化物[3]。

1.4 行業標準YD 5210—2014 《240 V直流供電系統工程技術規范》

第9.2.5節，蓄電池間應采用有絕緣的或有護套的連接條連接，不在同一鋼架的同一組電池之間采用電源線連接[4]。

綜上所述，通信機房的相關產品、設計、施工、驗收等技術規范，對蓄電池連接設施均沒有明確的技術指標的要求和規范，僅有YD/T 799—2010《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》要求電池自身應滿足“大電流放電”、即以30I10安全放電3 min的技術要求。以此類推，電池組內部的各電池單體之間的連接設施，應該滿足同樣的技術要求。

2 連接設施載流量的約束條件

在通信網絡中，當市電停電、需要蓄電池組放電保證給通信設備供電時，一般都是按照“最大程度保業務暢通”的原則，即為了最大程度地爭取通信網絡不會阻斷，要求蓄電池組盡最大努力（寧可壽命折損）放電、給通信網絡暢通贏得最大可能。因此，蓄電池組需要在各種工況條件下仍然能放電、輸出電能。

蓄電池組極端放電的約束條件有以下兩個。

2.1 30I10大電流放電3 min的極端條件

按照產品標準YD/T 799—2010《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》，以 1 000 A·h/2 V的電池組為例，30I10=30×100=3 000 A。

明顯可見，產品行業規范的這個要求十分苛刻，可以認為是電池產品性能的極端條件。因為通信行業的極端放電條件根本達不到30I10的工況，若按照此條件配置電池組的連接設施，大量銅材將沉淀在建設投資里，沒有任何意義。

2.2 典型配置的最大輸出電流

無論現場情況如何不同，因為標準化電源和電池產品的型號系列是固定的，所以開關電源與蓄電池的組合，基本上其實都是按照表1中的幾種典型組合配置。UPS設備與蓄電池組的組合配置，也是同樣的道理，這里不再贅述。

表1 開關電源與蓄電池的典型配置組合

以2 000 A開關電源配置2×2 000 A·h的典型組合為例，按照扣除充電電流400 A、冗余2個100 A模塊，即2 000 A-400 A-200 A=1 400 A的最大負荷電流，要求并聯的兩組蓄電池組能共同承載市電停電后的全部負荷，即每組蓄電池組能通過700 A的負荷電流，連接設施自然也必須滿足此條件。

同時，維護方面還要考慮到一次故障，即2×2 000 A·h的蓄電池一組故障開路，僅由其中的一組承載全部負荷電流（兩組電池同時故障的幾率很低，配置時一般不考慮）。因此，上述開關電源與蓄電池組的組合配置中，蓄電池組的連接設施，實際上仍然要求按照能安全承載1 400 A電流來配置。

3 蓄電池連接方式的影響

鉛酸蓄電池因制造工藝的限制，一般單體電池的容量不超過1 000 A·h。1 500 A·h及以上容量的蓄電池成品，實際上都是用500 A·h的單體蓄電池并接而得，如圖2所示，常見的2 000 A·h的蓄電池，內部實際上是由4節500 A·h的蓄電池單元組成的電池串，通過并接而得。圖中為內部已完成并接。但是，也有部分產品內部未并接，需要安裝時外部并接。

圖2 2000A·h蓄電池組的內部結構示意圖（內部并接）

圖3為典型的2 000 A·h的鉛酸蓄電池組的連接方式：圖3（a）中成品電池內部并未并接，相當于2×1 000 A·h的電池組，要正常運行還必須要實施外部并接；而圖3（b）則是成品電池內部已經完成并接。

圖3 2 000 A·h蓄電池組連接方式

由此可見，正常情況下如圖3所示，2串并接（2 500 A·h及以上的并接方式更復雜、但原理雷同）的蓄電池，每串電池的載流量應該承載50%的總電流。但是考慮到可能的其中某1串開路后的故障情況，連接設施應能滿足該故障情況下的短時輸出電流，以保證通信負荷能最大限度地不受影響。因此，電池配置的連接設施，仍然要求每一單元都須滿足短時內承載100%負荷電流的要求。

4 “電壓陡降”以及“電流爬升”的影響

習慣上核算通信設備的負荷電流時，都是按照日常運行時53.5 V測量值為準。但是在市電停電、電池放電的最初過程中，因鉛酸蓄電池的特性決定，電池電壓瞬間會有大幅度的下降，到某個臨界電壓值后，端口電壓才翻轉為上升趨勢，快速恢復到趨于穩定放電的平臺段，此特性稱之為“電壓陡降”[5]。按照文獻[5]的研究結果，電壓陡降與負荷電流的大小有顯著的相關性，也與環境溫度有顯著的相關性。圖4 即為特定環境溫度下20 ℃電壓陡降與負荷電流的對應變化關系。

圖4 電壓陡降與負荷電流的關系（特定溫度）

因為用電負荷的功率保持不變，所以電壓陡降的伴隨結果就是電池組的放電電流也隨時間變化。如圖5所示，電壓陡降的同時，電池放電電流會劇烈爬升，大幅超過平常的電流值，這個大電流因維持時間很短（不到1 min），所以不用考慮電纜或者銅排的承載能力。但是，后期的穩定放電過程中，因為端口電壓在緩慢降低，所以輸出電流必然是緩慢上升的。因為這個過程歷時較長（可能幾十分鐘乃至幾個小時），所以這個電流爬升對連接設施的載流能力有較大的考驗，在系統設計或者產品配置時必須要充分考慮到。

圖5 電壓陡降與電流爬升共同影響

5 結 論

綜上所述，要保證蓄電池組能長時間安全可靠放電，電池組的連接設施必須綜合考慮前述的幾個條件：按30I10大電流放電3 min的極端條件明顯偏高且沒有任何實用意義、浪費嚴重；按照實際負荷電流要考慮到一次電池故障和電流爬升的影響；同時也需要考慮電池內部結構和連接方式、以及對電池間連接電壓和電阻的影響，保證電池放電時的端口電壓滿足通信負荷的用電需求。

本著安全、經濟的原則，在負荷電流的基礎上對照常見的?240 mm2多股軟銅電纜、矩形硬銅排等連接設施的技術參數，適度放大后選擇產品，初步做出如表2所示的建議配置參數，期望能盡快制定相應的產品技術標準和行業規范等，指導后期工程設計和現場施工等。

表2 蓄電池連接設施的建議配置參數