Ανάλυση της βλάβης της μπαταρίας UPS σε ένα κέντρο δεδομένων Διαδικτύου

Η ισχύς του τόπου τηλεπικοινωνιών θεωρείται αίμα ενός δικτύου τηλεπικοινωνιών, ενώ η μπαταρία θεωρείται ως δεξαμενή αίματος, προστατεύοντας την ομαλή λειτουργία του δικτύου. Ωστόσο, η συντήρηση της μπαταρίας ήταν πάντα μια προκλητική πτυχή. Με τους κατασκευαστές να μειώνουν συνεχώς τις τιμές μετά από συγκεντρωτικές προμήθειες, η ποιότητα των μπαταριών έχει μειωθεί σημαντικά. Κάθε χρόνο, περισσότερο από το 70% των αποτυχιών του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας τηλεπικοινωνιών αποδίδονται σε προβλήματα μπαταρίας, καθιστώντας τη συντήρηση της μπαταρίας έναν πονοκέφαλο για το προσωπικό συντήρησης. Αυτό το άρθρο προσφέρει μια ανάλυση των κύριων αιτιών της αποτυχίας της μπαταρίας, η οποία μπορεί να χρησιμεύσει ως χρήσιμη αναφορά για τους άλλους.

1. Επισκόπηση εξοπλισμού εξοπλισμού επί τόπου

Ο εξοπλισμός ισχύος επί τόπου αποτελείται από δύο μονάδες 40kva UPS από μια γνωστή διεθνή μάρκα. Οι μπαταρίες εγκαταστάθηκαν το 2016. Παρακάτω είναι λεπτομερείς πληροφορίες:

Πληροφορίες UPS	Πληροφορίες μπαταρίας
Μάρκα & Μοντέλο: Διεθνές εμπορικό σήμα UL33	Μάρκα & Μοντέλο: 12V 100AH
Διαμόρφωση: 40 kVA, 2 μονάδες σε ένα παράλληλο σύστημα, το καθένα με φορτίο περίπου 5 kW	Αριθμός μπαταριών: 30 κύτταρα ανά ομάδα, 2 ομάδες, συνολικά 60 κύτταρα
Ημερομηνία ανάθεσης: 2006 (10 έτη υπηρεσίας)	Ημερομηνία ανάθεσης: 2016 (5 έτη υπηρεσίας)

Στις 6 Ιουνίου, ο κατασκευαστής της UPS πραγματοποίησε συντήρηση ρουτίνας, αντικαθιστώντας τους πυκνωτές AC και DC (5 χρόνια υπηρεσίας) και τους οπαδούς. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής εκφόρτισης μπαταρίας (20 λεπτά), διαπιστώθηκε ότι η απόδοση της απόρριψης της μπαταρίας ήταν κακή. Το ρεύμα εκφόρτισης ήταν 16Α και μετά από 10 λεπτά εκφόρτισης, η τάση αρκετών κυττάρων μειώθηκε σε 11,6V, αλλά δεν παρατηρήθηκε διόγκωση των μπαταριών.

Διαπιστώθηκε ότι και οι δύο ομάδες μπαταριών της UPS είχαν διογκωμένα προβλήματα κατά τη διάρκεια της επιθεώρησης. Χρησιμοποιώντας ένα πολύμετρο, μέτρησαν την τάση κυματομορφής φόρτισης μπαταρίας (που μετρήθηκε χρησιμοποιώντας τη ρύθμιση AC), η οποία ήταν τόσο υψηλή όσο 7V (που υπερβαίνει κατά πολύ το πρότυπο συντήρησης). Ως αποτέλεσμα, αρχικά υποψιάζονταν ότι οι πυκνωτές φίλτρου DC που αντικαταστάθηκαν από τους μηχανικούς του κατασκευαστή UPS ήταν ελαττωματικοί, προκαλώντας υπερβολική τάση κυματισμού στο λεωφορείο DC της UPS, οδηγώντας στην διόγκωση της μπαταρίας.

2. Επιτόπια κατάσταση αποτυχίας

Στις 22 Ιουλίου, η ομάδα από το ερευνητικό ινστιτούτο διεξήγαγε επιθεώρηση ασφαλείας σε υποκατάστημα. Ανακάλυψαν ότι οι μπαταρίες των συστημάτων UPS στον 5ο όροφο ενός κτιρίου ήταν σοβαρά διογκωμένες. Εάν υπήρχαν διακοπές ρεύματος από το δίκτυο, φοβόταν ότι οι μπαταρίες ενδέχεται να μην εκφορτώνονται σωστά, ενδεχομένως να οδηγήσουν σε ατύχημα. Ως αποτέλεσμα, συνέστησαν αμέσως στο προσωπικό συντήρησης του υποκαταστήματος να επικοινωνήσει με τους μηχανικούς του κατασκευαστή για να οργανώσει μια κοινή συνεδρίαση για την έρευνα και την αντιμετώπιση προβλημάτων με τα τρία μέρη το επόμενο απόγευμα.

Έμπιξη των μπαταριών 12V

Το απόγευμα της 23ης Ιουλίου, τα τρία κόμματα έφτασαν επί τόπου. Κατά την επιθεώρηση, και οι δύο μονάδες UPS βρέθηκαν να λειτουργούν κανονικά, με τάση πλωτήρα περίπου 404V για τις μπαταρίες (σύμφωνα με τις καθορισμένες παραμέτρους). Οι μηχανικοί του κατασκευαστή χρησιμοποίησαν ένα πολύμετρο Fluke 287C (υψηλή ακρίβεια) για να μετρήσουν την τάση κυματισμού φόρτισης της μπαταρίας, η οποία ήταν περίπου 0,439V. Ένας μετρητής σφιγκτήρα Fluke 376 (χαμηλότερη ακρίβεια) μετράται περίπου 0,4V. Τα αποτελέσματα και από τα δύο όργανα ήταν παρόμοια και έπεσαν εντός της τυπικής περιοχής τάσης κυματισμού για τον εξοπλισμό (γενικά λιγότερο από το 1% της τάσης διαύλου). Αυτό έδειξε ότι οι αντικατασταθέντες πυκνωτές DC ήταν συμβατές και λειτουργούσαν κανονικά. Επομένως, η προηγούμενη υποψία θεωρίας ότι η αντικατάσταση του πυκνωτή προκάλεσε υπερβολική τάση κυματισμού και αποκλείστηκε η διόγκωση της μπαταρίας.

Πολύμετρο: 0.439V

Μετρητής σφιγκτήρα: Περίπου 0,4V

Μια ανασκόπηση των ιστορικών αρχείων του συστήματος UPS έδειξε ότι, στις 6 Ιουνίου, και οι δύο μονάδες UPS είχαν υποβληθεί σε δοκιμή εκφόρτισης μπαταρίας 15 λεπτών. Μετά την αποκατάσταση του κύριου διακόπτη τροφοδοσίας, διεξήχθη μια εξισορρόπηση 6 λεπτών, ακολουθούμενη από μια δοκιμή εκκένωσης μπαταρίας 14 λεπτών από τους μηχανικούς του κατασκευαστή. Μετά τη δοκιμή, το σύστημα UPS ξεκίνησε αυτόματα τέσσερις διαδοχικές εξισορροπίες 12 ωρών, με κάθε φάση να διαχωρίζεται από ένα διάστημα 1 λεπτού, ολοκληρώνοντας στις 5:32 π.μ. στις 9 Ιουνίου. Από τότε οι μπαταρίες παρέμειναν σε λειτουργία φόρτισης πλωτήρα.

Περαιτέρω εξέταση των αρχικών ρυθμίσεων μπαταριών UPS αποκάλυψε τα εξής:

• Η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είχε οριστεί σε 48 μήνες (4 έτη), αν και το πραγματικό προσδόκιμο ζωής μιας μπαταρίας 12V πρέπει να είναι 5 χρόνια.

• Η εξισορρόπηση της φόρτισης είχε οριστεί σε 'ενεργοποιημένη. '

• Το όριο ρεύματος φόρτισης ρυθμίστηκε σε 10Α.

• Η σκανδάλη για τη μετάβαση στην εξισορροπημένη φόρτιση ρυθμίστηκε σε 1Α (το σύστημα θα μεταβεί αυτόματα σε ισοσταθμισμένη φόρτιση εάν το ρεύμα φορτίου πλωτήρα υπερέβη το 1Α, παρόλο που η προεπιλεγμένη τιμή για αυτό το μοντέλο έχει ρυθμίσει το 0.01 ~ 0.05C10, που σημαίνει ότι η εξισορρόπηση θα ενεργοποιηθεί η φόρτιση του κατασκευαστή, ωστόσο, η αύξηση της φόρτισης του κατασκευαστή, που ενεργοποιείται όταν το ρεύμα φορτίου πλωτήρα φτάσει στο 1α).

• Ο εξισιωμένος χρόνος προστασίας φόρτισης ορίστηκε σε 720 λεπτά (η εξισορρόπηση της φόρτισης θα σταματούσε αυτόματα μετά από 12 ώρες).

3. Ανάλυση των αιτίων αποτυχίας

Με βάση τις παραπάνω συνθήκες, η διαδικασία αποτυχίας μπορεί να αναλυθεί ως εξής:

• Οι δύο ομάδες μπαταριών αυτού του συστήματος UPS είχαν χρησιμοποιηθεί για 4 χρόνια (η διάρκεια ζωής των μπαταριών 12V είναι 5 έτη) και η χωρητικότητα της μπαταρίας είχε μειωθεί σημαντικά. Ωστόσο, πριν από την αποτυχία, η εξωτερική εμφάνιση της μπαταρίας ήταν φυσιολογική, χωρίς σημάδια διόγκωσης. Μια περαιτέρω ανασκόπηση των ιστορικών αρχείων της UPS από τις 30 Ιανουαρίου 2019 (τα αρχεία πριν από την ημερομηνία αυτή εκκαθαρίστηκαν) έως τις 6 Ιουνίου 2020, έδειξε ότι το σύστημα UPS είχε εκτελέσει 12 ισοσταθμισμένες χρέωσης, με τη μεγαλύτερη διάρκεια να μην υπερβαίνει τα 15 λεπτά. Αυτό υποδεικνύει ότι η ισοσταθμισμένη διάρκεια φόρτισης που ορίστηκε στο σύστημα UPS πριν από τη συντήρηση ήταν σχετικά σύντομη, μόνο 15 λεπτά και η βραχυπρόθεσμη εξισορρόπηση του συστήματος UPS δεν θα προκαλέσει διόγκωση των μπαταριών.

• Μετά την αντικατάσταση της συντήρησης και του πυκνωτή, το σύστημα UPS επανεκκινήθηκε. Η λογική ελέγχου αναγνώρισε την μπαταρία ως πρόσφατα συνδεδεμένη, οπότε ξεκίνησε μια φόρτιση 6 λεπτών και στη συνέχεια μετατράπηκε σε φορτίο πλωτήρα. Ωστόσο, μετά από μια επακόλουθη δοκιμή εκφόρτισης 14 λεπτών, το σύστημα UPS άρχισε αυτόματα να εξισορροπεί τη φόρτιση για να επαναφορτίσει πλήρως τις μπαταρίες. Λόγω της χρήσης των μπαταριών για 4 χρόνια, η δυνατότητα εσωτερικής τους κατακράτησης φορτίου είχε επιδεινωθεί, προκαλώντας την υπερβλή του 1α του ρεύματος φορτίου πλωτήρα, προκαλώντας το όριο φόρτισης 1Α που έχει ρυθμιστεί στο σύστημα φόρτισης στο σύστημα UPS (η προεπιλεγμένη τιμή για αυτό το μοντέλο είναι το ρεύμα φορτίου 3 ~ 5A για να προκαλέσει ισοσταθμισμένη χρέωση, αλλά για κάποιο λόγο, το προσωπικό συντήρησης είχε τροποποιήσει αυτό το σε 1Α). Αυτό είχε ως αποτέλεσμα το σύστημα UPS να ξεκινήσει επανειλημμένα την εξισορροπημένη φόρτιση μέχρις ότου ένα εσωτερικό ανοιχτό κύκλωμα της μπαταρίας τελικά το σταμάτησε (αλλιώς, το σύστημα UPS θα είχε συνεχίσει την επανειλημμένη εξισορροπημένη φόρτιση, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει στην ομάδα της μπαταρίας να τραβήξει φωτιά). Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, οι μπαταρίες υποβλήθηκαν σε τέσσερις συνεχείς κύκλους φόρτισης εξισορρόπησης σε διάστημα 48 ωρών (κάθε κύκλος σταμάτησε μόνο 1 λεπτό κάθε 12 ώρες πριν επαναληφθεί η εξισορρόπηση της φόρτισης). Μετά από τέτοια παρατεταμένη εξισορρόπηση της φόρτισης, οι μπαταρίες ανέπτυξαν τελικά διογκωμένη και ακόμη και οι βαλβίδες εξαερισμού παραμορφώθηκαν.

4. Σύναψη

Με βάση τις παραπάνω παρατηρήσεις και ανάλυση, οι αιτίες της βλάβης της μπαταρίας σε αυτό το σύστημα UPS έχουν ως εξής:

• Η άμεση αιτία ήταν η ακατάλληλη ρύθμιση των παραμέτρων φόρτισης του συστήματος UPS, οι οποίες οδήγησαν σε συνεχή ισοσταθμισμένη φόρτιση για 48 ώρες με μόνο 1 λεπτά διαστήματα μεταξύ κάθε κύκλου. Ακόμη και οι νέες μπαταρίες δεν θα αντέχουν σε τέτοια παρατεταμένη και έντονη εξισορρόπηση της φόρτισης, οδηγώντας στην αποτυχία διόγκωσης της μπαταρίας σε αυτή την περίπτωση.

• Το μοντέλο του συστήματος UPS είναι ένας πρώιμος σχεδιασμός με λειτουργικούς περιορισμούς. Αυτό το μοντέλο παλαιότερων UPS (σχεδιασμένο πριν από 20 χρόνια) δεν διέθετε τη ρύθμιση 'εξισορροπημένη ρύθμιση προστασίας του διαστήματος φόρτισης ' (άλλες μάρκες τυπικά καθορίζουν αυτό το διάστημα σε 7 ημέρες), με αποτέλεσμα συνεχούς πολλαπλούς κύκλους φόρτισης.

• Η απόδοση των μπαταριών είχε υποβαθμιστεί λόγω ηλικίας (4 χρόνια σε υπηρεσία), με μειωμένη ικανότητα απόρριψης και κακή διατήρηση φορτίου. Πριν από τις 6 Ιουνίου, το κατώφλι ρεύματος μετατροπής εξισορρόπησης σε φόρμα είχε οριστεί αδικαιολόγητα χαμηλό (μόνο 1Α για 100AH ​​μπαταρίες). Η προεπιλεγμένη τιμή του συστήματος UPS είναι 3 ~ 5A, όμως το προσωπικό συντήρησης το τροποποίησε ανεξήγητα σε 1Α.

• Το σύστημα UPS λειτουργούσε εδώ και 14 χρόνια, πολύ πέρα ​​από την ηλικία του παροπλισμού, καθιστώντας αναπόφευκτα τα σφάλματα μέτρησης. Αυτά τα σφάλματα ενδέχεται να έχουν προκαλέσει το σύστημα να ξεκινήσει επανειλημμένα εξισορροπημένη φόρτιση λόγω ανακριβούς ανίχνευσης ρεύματος.

• Ευτυχώς, ένα ανοιχτό κύκλωμα σε ένα από τα κύτταρα της μπαταρίας εμπόδισε το σύστημα UPS να συνεχίσει τους επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης μετά την τέταρτη εξισορρόπηση, αποφεύγοντας έτσι τις δυνατότητες των μπαταριών να πυροδοτήσουν φωτιά.

5. Διορθωτικά μέτρα για την αποτυχία

Τα διορθωτικά μέτρα περιλαμβάνουν δύο πτυχές:

Πρώτον, τροποποιήστε προσωρινά τις παραμέτρους φόρτισης της μπαταρίας UPS:

• Απενεργοποιήστε τη ρύθμιση φόρτισης εξισορρόπησης στο σύστημα UPS.

• Ρυθμίστε το ρεύμα σκανδάλης για τη μετάβαση από το φορτίο πλωτήρα στην εξισορρόπηση της φόρτισης σε 3Α (αν και το 3A εξακολουθεί να είναι κάπως χαμηλό, καθώς το προεπιλεγμένο ελάχιστο είναι 3Α, αλλά προηγουμένως είχε οριστεί σε 1Α).

• Ρυθμίστε τον χρόνο προστασίας της εξισορρόπησης σε 1 ώρα (προηγουμένως ρυθμισμένο σε 12 ώρες).

Δεύτερον, το υποκατάστημα αντικατέστησε τις δύο ομάδες μπαταριών με εφεδρικές μπαταρίες, αλλά οι μπαταρίες αντιγράφων ασφαλείας έχουν χωρητικότητα μόνο 50 ΑΗ, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για προσωρινούς σκοπούς έκτακτης ανάγκης. Υπάρχουν σχέδια για τη μεταφορά του φορτίου από το σύστημα UPS σε άλλες πηγές ενέργειας στο μέλλον, για να επιλυθούν διεξοδικά τα ζητήματα ασφάλειας τροφοδοσίας.

Ο φορέας εκμετάλλευσης ξοδεύει ένα σημαντικό ποσό ετησίως στις υπηρεσίες συντήρησης για το σύστημα UPS, ωστόσο λόγω της αμέλειας και της απροσεξία του προσωπικού συντήρησης, τροποποίησαν λανθασμένα τις προεπιλεγμένες τιμές του συστήματος UPS, κάτι που είναι πραγματικά απίστευτο. Συνιστάται στον κατασκευαστή της UPS να λάβει σοβαρά τη διατήρηση των προϊόντων τους και να αποφύγει να κάνει τέτοια βασικά λάθη στο μέλλον, βελτιώνοντας την ποιότητα των υπηρεσιών συντήρησης. Εν τω μεταξύ, προτείνεται ότι ο φορέας εκμετάλλευσης δίνει επίσης προσεκτική προσοχή στις επακόλουθες υπηρεσίες συντήρησης που παρέχεται από τον κατασκευαστή της UPS και καθιερώνει ένα σύστημα αξιολόγησης για τη συνεχή βελτίωση της ασφαλούς και αξιόπιστης λειτουργίας του συστήματος UPS.