КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АККУМУЛЯТОРОВ ИБП КАК ОДИН ИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

Скачать

И.М. Бажуков

Описывается система мониторинга выносных аккумуляторных батарей, реализованная на базе MasterSCADA и датчиков контроля батарей. Система обеспечивает контроль таких электрических характеристик, как емкость, напряжение заряда/разряда, сопротивление аккумулятора.

Времена, когда в кухонном шкафчике хранился запас свечей, давно прошли. Сегодня на помощь приходят резервные линии с автоматическим вводом резерва (АВР) и собственные дизель-генераторные установки (ДГУ). Они позволяют минимизировать 
ущерб от отключения электроэнергии, но не всегда мгновенно и полностью. Переключение на резервную линию может занимать порядка 0,3 с. Запуск ДГУ и того больше — 30…60 с. Кроме того, эти решения не обеспечивают выходного напряжения необходимого качества.

Поэтому на предприятиях, где перебои в электроснабжении неприемлемы и к качеству питающего напряжения установлены высокие требования, используют источники бесперебойного питания (ИБП) с аккумуляторными батареями (АКБ). Их безотказная и четкая работа обеспечивает нормальное функционирование как отдельных сервисов, так и предприятия в целом. Использование ИБП позволяет избежать провалов и всплесков напряжения, импульсов в сети, высокочастотного шума, разбега частоты (отклонение частоты более чем на 3 Гц).

Аккумуляторные батареи — основа любого ИБП, и от их состояния зависит правильность и долговременность работы всей системы в целом. Большинство производителей свинцово-кислотных герметичных батарей, которые обычно применяются в ИБП, заявляют срок их службы до 5 лет при условии соблюдения рекомендуемых режимов эксплуатации. Реальный же срок колеблется в диапазоне 2…4 лет. К концу этого периода емкость батареи может значительно снизиться (иногда до 25% от начальной и менее). Отслужившие герметичные батареи практически не поддаются «реанимации» и подлежат замене.

Причин деградации аккумуляторов много. От интенсивного использования наступает сульфатация пластин, от перегрузок осыпаются активные вещества, происходит испарение электролита.

Неисправность и выход из строя АКБ вызывают долгосрочные факторы:
воздействие окружающей среды (температура, влажность, механические повреждения);

1. неправильный заряд/разряд (большой период заряда, высокое напряжение заряда, аномальная кривая разряда);
2. неисправный аккумулятор в цепи;
3. некалиброванный ИБП;
4. высокое внутреннее сопротивление батареи;
5. высокая внутренняя температура батареи;
6. потеря электролита, сульфатация пластин.

Если эти причины не были вовремя обнаружены и исправлены, то впоследствии будут способствовать ухудшению состояния батарей. Залогом стабильной и длительной работы батареи является ее правильная эксплуатация. Работа при повышенных температурах окружающей среды — основная причина износа. Оптимальная температура для работы АКБ — 10…25°C. При повышении до 40°C прогнозируемый срок службы сокращается до 1,5…2 лет. Температура 50°C — критическая для батарей этого типа: аккумулятор может выйти из строя уже через несколько месяцев.

Рис. 1. Зависимость срока службы батареи от температуры и заряда

Не стоит допускать глубоких разрядов батареи (падение напряжения ниже 1,7 В на элемент), а также превышения зарядного тока и конечного напряжения заряда, рекомендуемых изготовителем: более 2,3 В на элемент в дежурном режиме, 2,4 В — при циклическом режиме работы. Превышение напряжения заряда на 0,2 В уменьшает срок службы на 50% (рис. 1).

В связи с этим необходимо своевременно выявлять плохие аккумуляторы, исключать случаи недозаряда, контролировать напряжение заряда и температуру окружающей среды.

Срок службы литий-ионных аккумуляторов также зависит от уровня заряда и температуры. При температуре выше 30°C способность удержания заряда снижается до 80% от нормы, а при нагреве до 45°C снижается вдвое. Батареи могут быть либо встроены в ИБП, либо
быть съемными и выносными (большей емкости). Современные ИБП со встроенными батареями от именитых производителей (APC by Schneider Electric, Huawei), как правило, обеспечиваются серьезными средствами контроля и позволяют выводить информацию на диспетчерский пункт по одному из стандартных протоколов (SNMP или Modbus).

Рис. 2. Батарейные блоки

На рис. 2 представлена система с выносными батарейными блоками, которые соединены последовательно. При таком подключении аккумуляторов
ИБП не имеет встроенных средств диагностики каждой отдельной батареи. А необходимость в этом есть. Например, надо  контролировать «равномерность» заряда. Одна батарея, емкость которой ниже соседних, приводит к уменьшению срока службы всех батарей.

Инженерами компании ИнСАТ была опробована система контроля состояния батарей PBAT, предоставленная компанией Энергометрика (www.energometrica.ru). Датчики PBAT802 или PBAT812 для батарей на 2 и 12 В соответственно подключаются непосредственно к выносным батареям и позволяют в режиме реального времени контролировать напряжение, емкость, сопротивление, температуру, состояние и режимы работы аккумуляторных батарей. Датчик PBAT800 позволяет измерять ток в цепочке батарей в диапазоне -1000...1000 А. Датчики подключаются к устройствам с интерфейсом RS-485 по протоколу Modbus RTU (то есть могут взаимодействовать с любым контроллером для сбора и анализа данных) либо напрямую к серверу сбора данных (рис. 3) с установленной системой MasterSCADA через MasterOPC Universal Modbus Server.

Рис. 3. Схема контроля батарейных блоков

После установки данной системы пользователь получает следующие преимущества:

• непрерывный контроль всех параметров АКБ при исключении человеческого фактора; своевременное выявление батарей, 

• требующих обслуживания, в том числе на удаленных объектах;

• возможность организации планомерной работы сервисной службы;
  

• повышение надежности аккумуляторных систем ИБП за счет своевременного обнаружения неисправных элементов;
  

• возможность формирования отчета о состоянии аккумуляторов с целью планирования замены;
  

• применение свободно программируемого контроллера позволяет опрашивать дополнительные датчики с аналоговыми и дискретными сигналами (температура помещений, сигналы протечек);
  

• ПЛК может управлять нагрузкой при помощи своих релейных выходов.

Система мониторинга состояния аккумуляторных батарей дает пользователю полную картину их работоспособности, что полностью исключает все спорные моменты при выяснении причин выхода из строя АКБ. В системе мониторинга вся предупреждающая и аварийная информация фиксируется: ведется журнал событий, все необходимые данные заносятся в архив и могут выводиться в виде графиков (трендов) за продолжительный период времени (рис. 4). Аналитические возможности модуля трендов позволяют  одновременно сопоставлять изменение параметров батарей с событиями в системе и с параметрами другого оборудования.

Рис. 4. Мнемосхема трендов в системе мониторинга АКБ

Таким образом, типовое решение системы диагностики аккумуляторных батарей на MasterSCADA можно эффективно использовать в любой производственной сфере, где применяются источники бесперебойного питания. Например, имеется решение, обеспечивающее диагностику состояния батарей в центрах обработки данных (ЦОД), реализованное при помощи стандартных средств от производителя ИБП, дополнительного модуля контроля температуры батарей и MasterSCADA [1, 2]. При минимальном вложении средств система диспетчеризации АКБ принесет существенную пользу предприятию.

Список литературы
1. Бажуков И.М. SCADA-система как инструмент технической диагностики // Автоматизация в промышленности.
2016. №10.
2. Аблин И. Е. SCADA-системы в диспетчеризации зданий//Автоматизация в промышленности. 2009 № 10

Бажуков Игорь Михайлович – начальник отдела комплексной автоматизации ООО «ИнСАТ».