蓄电池连接设施的安全载流量核算及配置

张永红，王永虎，杨利国，张金顺，颜为荣，谢爱玲

（中国联通甘肃省分公司，甘肃 兰州 730050）

0 引 言

电源是通信网络的心脏，负责给各类通信电子类设备提供必需的电力供应。为保证通信畅通和稳定运行，在网络建设之初即配置了高频开关电源和UPS不间断电源系统，承担着为通信设备提供需要的可靠电源的作用，同时更是将通信设备与市电实现有效的电气隔离，避免因市电故障影响通信网络的正常运行。而高频开关电源和UPS系统等必须包含的主要配套设施，就是蓄电池。

目前通信行业使用的主流产品为阀控式密封铅酸蓄电池，各主要供应商依据我国的通信行业标准YD/T 799—2010《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》，所供产品技术成熟、性能稳定，在通信行业有着十分广泛的应用，为保障网络畅通发挥了十分重要的作用。

实际应用过程中，单个的蓄电池无法承担存储大量电能的业务需求，通信机房内基本上都是按照多只单体蓄电池串联成蓄电池组的方式工作。而将多只电池连接成组的连接设施（连接软线或者铜排），也是蓄电池乃至通信电源系统的重要组件。

但是受到相关技术标准和规范的缺失、以及商业利益的驱动，近年来多次出现电池供应商偷工减料、大幅缩小连接产品的截面积的问题，直接影响了产品的载流量，在特殊工况、甚至是正常工况下都可能造成严重发热、引发火灾的巨大风险，给通信网络的供电安全埋下了巨大的隐患。图1为某厂家同一型号蓄电池组前后不同批次供货时配备的连接铜条，从原来的30 mm×12 mm的铜条直接缩水成30 mm×3 mm，截面积（载流量）锐减到原来的四分之一！在较大电流放电的工况下，将直接导致连接铜条及电池桩头温升过高、严重折损电池寿命、甚至中断供电导致通信业务阻断！因此，研究蓄电池组之间的连接设施、制定相关技术规范和标准，十分重要且十分必要。

图1 某厂家同型号蓄电池组的连接条前后对比

1 现有行业标准的相关技术要求

1.1 行业标准YD/T 799—2010《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》

（1）第6.7节，大电流放电：蓄电池以30I10放电3 min，极柱应不熔断、内部汇流排应不熔断，其外观应不出现异常。

（2）第6.15节，电池间连接电压降：蓄电池间的连接电压降，ΔU≤10mV。

（3）第7.16节，电池间连接电压降：蓄电池按1 h率电流放电时，测量相邻两只蓄电池之间的连接条压降（在蓄电池的极柱根部测量），其值应符合第6.15节的要求[1]。

1.2 国家标准GB 51194—2016《通信电源设备安装工程设计规范》

第9.0.4节，当按满足电压要求选取直流放电回路的导线时，直流放电回路全程压降值应符合下列规定：

（1）48 V电源不应大于3.2V；

（2）24 V电源不应大于2.6V；

（3）240 V、336 V电源不应大于12V；

（4）采用太阳电池的供电系统中，太阳电池至直流配电屏的直流导线电压降可按1.7 V计算[2]。

1.3 国家标准GB 51199—2016《通信电源设备安装工程验收规范》

第6.2.5节，电池间隔偏差不应大于5 mm，电池之间的连接条应平整，连接螺栓、螺母应拧紧，并应在加装塑料盒盖或在螺栓、螺母上涂一层防氧化物[3]。

1.4 行业标准YD 5210—2014 《240 V直流供电系统工程技术规范》

第9.2.5节，蓄电池间应采用有绝缘的或有护套的连接条连接，不在同一钢架的同一组电池之间采用电源线连接[4]。

综上所述，通信机房的相关产品、设计、施工、验收等技术规范，对蓄电池连接设施均没有明确的技术指标的要求和规范，仅有YD/T 799—2010《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》要求电池自身应满足“大电流放电”、即以30I10安全放电3 min的技术要求。以此类推，电池组内部的各电池单体之间的连接设施，应该满足同样的技术要求。

2 连接设施载流量的约束条件

在通信网络中，当市电停电、需要蓄电池组放电保证给通信设备供电时，一般都是按照“最大程度保业务畅通”的原则，即为了最大程度地争取通信网络不会阻断，要求蓄电池组尽最大努力（宁可寿命折损）放电、给通信网络畅通赢得最大可能。因此，蓄电池组需要在各种工况条件下仍然能放电、输出电能。

蓄电池组极端放电的约束条件有以下两个。

2.1 30I10大电流放电3 min的极端条件

按照产品标准YD/T 799—2010《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》，以 1 000 A·h/2 V的电池组为例，30I10=30×100=3 000 A。

明显可见，产品行业规范的这个要求十分苛刻，可以认为是电池产品性能的极端条件。因为通信行业的极端放电条件根本达不到30I10的工况，若按照此条件配置电池组的连接设施，大量铜材将沉淀在建设投资里，没有任何意义。

2.2 典型配置的最大输出电流

无论现场情况如何不同，因为标准化电源和电池产品的型号系列是固定的，所以开关电源与蓄电池的组合，基本上其实都是按照表1中的几种典型组合配置。UPS设备与蓄电池组的组合配置，也是同样的道理，这里不再赘述。

表1 开关电源与蓄电池的典型配置组合

以2 000 A开关电源配置2×2 000 A·h的典型组合为例，按照扣除充电电流400 A、冗余2个100 A模块，即2 000 A-400 A-200 A=1 400 A的最大负荷电流，要求并联的两组蓄电池组能共同承载市电停电后的全部负荷，即每组蓄电池组能通过700 A的负荷电流，连接设施自然也必须满足此条件。

同时，维护方面还要考虑到一次故障，即2×2 000 A·h的蓄电池一组故障开路，仅由其中的一组承载全部负荷电流（两组电池同时故障的几率很低，配置时一般不考虑）。因此，上述开关电源与蓄电池组的组合配置中，蓄电池组的连接设施，实际上仍然要求按照能安全承载1 400 A电流来配置。

3 蓄电池连接方式的影响

铅酸蓄电池因制造工艺的限制，一般单体电池的容量不超过1 000 A·h。1 500 A·h及以上容量的蓄电池成品，实际上都是用500 A·h的单体蓄电池并接而得，如图2所示，常见的2 000 A·h的蓄电池，内部实际上是由4节500 A·h的蓄电池单元组成的电池串，通过并接而得。图中为内部已完成并接。但是，也有部分产品内部未并接，需要安装时外部并接。

图2 2000A·h蓄电池组的内部结构示意图（内部并接）

图3为典型的2 000 A·h的铅酸蓄电池组的连接方式：图3（a）中成品电池内部并未并接，相当于2×1 000 A·h的电池组，要正常运行还必须要实施外部并接；而图3（b）则是成品电池内部已经完成并接。

图3 2 000 A·h蓄电池组连接方式

由此可见，正常情况下如图3所示，2串并接（2 500 A·h及以上的并接方式更复杂、但原理雷同）的蓄电池，每串电池的载流量应该承载50%的总电流。但是考虑到可能的其中某1串开路后的故障情况，连接设施应能满足该故障情况下的短时输出电流，以保证通信负荷能最大限度地不受影响。因此，电池配置的连接设施，仍然要求每一单元都须满足短时内承载100%负荷电流的要求。

4 “电压陡降”以及“电流爬升”的影响

习惯上核算通信设备的负荷电流时，都是按照日常运行时53.5 V测量值为准。但是在市电停电、电池放电的最初过程中，因铅酸蓄电池的特性决定，电池电压瞬间会有大幅度的下降，到某个临界电压值后，端口电压才翻转为上升趋势，快速恢复到趋于稳定放电的平台段，此特性称之为“电压陡降”[5]。按照文献[5]的研究结果，电压陡降与负荷电流的大小有显著的相关性，也与环境温度有显著的相关性。图4 即为特定环境温度下20 ℃电压陡降与负荷电流的对应变化关系。

图4 电压陡降与负荷电流的关系（特定温度）

因为用电负荷的功率保持不变，所以电压陡降的伴随结果就是电池组的放电电流也随时间变化。如图5所示，电压陡降的同时，电池放电电流会剧烈爬升，大幅超过平常的电流值，这个大电流因维持时间很短（不到1 min），所以不用考虑电缆或者铜排的承载能力。但是，后期的稳定放电过程中，因为端口电压在缓慢降低，所以输出电流必然是缓慢上升的。因为这个过程历时较长（可能几十分钟乃至几个小时），所以这个电流爬升对连接设施的载流能力有较大的考验，在系统设计或者产品配置时必须要充分考虑到。

图5 电压陡降与电流爬升共同影响

5 结 论

综上所述，要保证蓄电池组能长时间安全可靠放电，电池组的连接设施必须综合考虑前述的几个条件：按30I10大电流放电3 min的极端条件明显偏高且没有任何实用意义、浪费严重；按照实际负荷电流要考虑到一次电池故障和电流爬升的影响；同时也需要考虑电池内部结构和连接方式、以及对电池间连接电压和电阻的影响，保证电池放电时的端口电压满足通信负荷的用电需求。

本着安全、经济的原则，在负荷电流的基础上对照常见的ø240 mm2多股软铜电缆、矩形硬铜排等连接设施的技术参数，适度放大后选择产品，初步做出如表2所示的建议配置参数，期望能尽快制定相应的产品技术标准和行业规范等，指导后期工程设计和现场施工等。

表2 蓄电池连接设施的建议配置参数