Análisis de fallos de baterías de UPS en un centro de datos de Internet

La energía de un sitio de telecomunicaciones se considera la sangre de una red de telecomunicaciones, mientras que la batería se considera su reservorio de sangre, garantizando el funcionamiento continuo de la red. Sin embargo, el mantenimiento de las baterías siempre ha sido un aspecto desafiante. Con los fabricantes bajando continuamente los precios tras la adquisición centralizada, la calidad de las baterías ha disminuido significativamente. Cada año, más del 70% de las fallas en el sistema de energía de telecomunicaciones se atribuyen a problemas con las baterías, lo que convierte su mantenimiento en un dolor de cabeza para el personal de mantenimiento. Este artículo ofrece un análisis de las principales causas de fallas en las baterías, que puede servir como referencia útil para otros.

1. Resumen del Equipo de Energía en el Sitio

El equipo de energía en el sitio consiste en dos unidades UPS de 40kVA de una reconocida marca internacional. Las baterías fueron instaladas en 2016. A continuación, se detalla la información:

El 6 de junio, el fabricante del UPS realizó el mantenimiento rutinario, reemplazando los capacitores AC y DC (tras 5 años de servicio) y los ventiladores. Durante la prueba de descarga de las baterías (20 minutos), se descubrió que el rendimiento de descarga de la batería era deficiente. La corriente de descarga fue de 16A y, después de 10 minutos de descarga, el voltaje de varias celdas cayó a 11.6V, pero no se observó hinchazón en las baterías. 

Se descubrió que ambos grupos de baterías del UPS presentaban problemas de hinchazón durante la inspección. Utilizando un multímetro, midieron el voltaje de ondulación de carga de las baterías (medido en la configuración de AC), el cual alcanzó los 7V (muy por encima del estándar de mantenimiento). Como resultado, inicialmente sospecharon que los capacitores de filtro DC reemplazados por los ingenieros del fabricante del UPS estaban defectuosos, causando un voltaje de ondulación excesivo en el bus de corriente continua del UPS y llevando a la hinchazón de las baterías.

2. Situación de la Falla en el Sitio

El 22 de julio, el equipo del Instituto de Investigación realizó una inspección de seguridad en una sucursal. Descubrieron que las baterías de los sistemas UPS en el quinto piso de un edificio estaban gravemente hinchadas. Si ocurrieran cortes de energía en la red, se temía que las baterías no descargaran correctamente, lo que podría llevar a un accidente. Como resultado, recomendaron de inmediato que el personal de mantenimiento de la sucursal contactara a los ingenieros del fabricante para organizar una sesión conjunta de investigación y resolución de problemas en el sitio con las tres partes al día siguiente por la tarde.

 Hinchazón de Baterías de 12V

En la tarde del 23 de julio, las tres partes llegaron al sitio. Tras la inspección, se comprobó que ambas unidades UPS funcionaban normalmente, con un voltaje de flotación de aproximadamente 404V para las baterías (de acuerdo con los parámetros establecidos). Los ingenieros del fabricante utilizaron un multímetro Fluke 287C (de alta precisión) para medir el voltaje de ondulación de carga de las baterías, que fue de aproximadamente 0.439V. Un amperímetro de pinza Fluke 376 (de menor precisión) midió alrededor de 0.4V. Los resultados de ambos instrumentos fueron similares y se encontraban dentro del rango típico de voltaje de ondulación para el equipo (generalmente menos del 1% del voltaje del bus). Esto indicó que los capacitores de corriente continua reemplazados estaban en conformidad y funcionaban normalmente. Por lo tanto, se descartó la teoría previamente sospechada de que el reemplazo de los capacitores causó un voltaje de ondulación excesivo y la hinchazón de las baterías.

Multímetro: 0,439 V

Medidor de pinza: aproximadamente 0.4V

Una revisión de los registros históricos del sistema UPS mostró que, el 6 de junio, ambas unidades UPS habían realizado una prueba de descarga de la batería de 15 minutos. Después de restaurar el interruptor principal, se realizó una carga de ecualización de 6 minutos, seguida de una prueba de descarga de la batería de 14 minutos realizada por los ingenieros del fabricante. Tras la prueba, el sistema UPS inició automáticamente cuatro ciclos consecutivos de ecualización de carga de 12 horas, con cada fase separada por un intervalo de 1 minuto, concluyendo a las 5:32 a.m. del 9 de junio. Desde entonces, las baterías han permanecido en modo de carga flotante.

Un examen adicional de los ajustes originales de la batería del UPS reveló lo siguiente:

• La vida útil de la batería estaba configurada en 48 meses (4 años), aunque la expectativa de vida real de una batería de 12V debería ser de 5 años.

• La carga de ecualización estaba configurada como “habilitada.”

• El límite de corriente de carga estaba ajustado a 10A.

• El disparador para cambiar a carga de ecualización estaba configurado en 1A (el sistema cambiaría automáticamente a carga de ecualización si la corriente de carga flotante excedía 1A, aunque el valor predeterminado para este modelo es de 0.03C10~0.05C10, lo que significa que la carga de ecualización se activa cuando la corriente de carga flotante alcanza 3-5A. Sin embargo, por razones desconocidas, el personal de mantenimiento del fabricante había ajustado este valor a 0.01C10, lo que significa que la carga de ecualización se activaría cuando la corriente de carga flotante alcanzara 1A).

• El tiempo de protección de la carga de ecualización estaba configurado en 720 minutos (la carga de ecualización se detendría automáticamente después de 12 horas).

3. Análisis de las Causas de la Falla

Según las circunstancias descritas, el proceso de falla puede analizarse de la siguiente manera:

• Los dos grupos de baterías de este sistema UPS llevaban 4 años en uso (la vida útil de las baterías de 12V es de 5 años) y la capacidad de las baterías había disminuido significativamente. Sin embargo, antes de la falla, el aspecto exterior de las baterías era normal, sin signos de hinchazón. Una revisión adicional de los registros históricos del UPS desde el 30 de enero de 2019 (los registros anteriores a esta fecha fueron borrados) hasta el 6 de junio de 2020 mostró que el sistema UPS había realizado 12 cargas de ecualización, con una duración máxima de no más de 15 minutos. Esto indica que la duración de la carga de ecualización establecida en el sistema UPS antes del mantenimiento era relativamente corta, solo 15 minutos, y que la carga de ecualización a corto plazo del sistema UPS no causaría hinchazón en las baterías.

• Después del mantenimiento y la sustitución de los capacitores, el sistema UPS se reinició. La lógica de control identificó las baterías como recientemente conectadas, por lo que inició una carga de ecualización de 6 minutos y luego cambió a carga de flotación. Sin embargo, después de una prueba de descarga de 14 minutos, el sistema UPS comenzó automáticamente la carga de ecualización para recargar completamente las baterías. Debido a que las baterías llevaban 4 años en uso, su capacidad de retención de carga interna se había deteriorado, causando que la corriente de carga de flotación superara 1A, activando el umbral de carga de ecualización de 1A establecido en el sistema UPS (el valor predeterminado para este modelo es de 3~5A para que la corriente de carga de flotación active la carga de ecualización, pero por alguna razón, el personal de mantenimiento lo modificó a 1A). Esto resultó en que el sistema UPS iniciara repetidamente la carga de ecualización hasta que un circuito abierto interno de la batería finalmente lo detuvo (de lo contrario, el sistema UPS habría continuado con cargas de ecualización repetidas, lo que podría haber provocado un incendio en el grupo de baterías). Durante este período, las baterías pasaron por cuatro ciclos continuos de carga de ecualización durante 48 horas (cada ciclo se pausaba solo 1 minuto cada 12 horas antes de reanudar la carga de ecualización). Después de una carga de ecualización tan prolongada, las baterías finalmente desarrollaron hinchazón y, en algunos casos, incluso las válvulas de ventilación se deformaron.

4. Conclusión

Basado en las observaciones y el análisis anteriores, las causas de la falla de la batería en este sistema UPS son las siguientes:

• La causa directa fue una configuración inadecuada de los parámetros de carga del sistema UPS, que llevó a una carga de ecualización continua durante 48 horas con solo intervalos de 1 minuto entre cada ciclo. Incluso las baterías nuevas no resistirían una carga de ecualización tan prolongada e intensa, lo que causó la falla de hinchazón de la batería en este caso.

• El modelo del sistema UPS es de un diseño antiguo con limitaciones funcionales. Este modelo antiguo de UPS (diseñado hace 20 años) carecía de la configuración de “tiempo de protección de intervalo de carga de ecualización” (otras marcas suelen establecer este intervalo en 7 días), lo que resultó en múltiples ciclos continuos de carga de ecualización.

• El rendimiento de las baterías se había degradado debido a la antigüedad (4 años en servicio), con una capacidad de descarga reducida y una mala retención de carga. Antes del 6 de junio, el umbral de conversión de carga de ecualización a flotante estaba fijado de forma irrazonable en un valor bajo (solo 1A para baterías de 100Ah). El valor predeterminado del sistema UPS es de 3~5A, pero el personal de mantenimiento lo modificó inexplicablemente a 1A.

• El sistema UPS había estado en operación durante 14 años, mucho más allá de su vida útil, lo que hacía inevitables los errores de medición. Estos errores pueden haber causado que el sistema iniciara repetidamente la carga de ecualización debido a una detección de corriente inexacta.

• Afortunadamente, un circuito abierto en una de las celdas de la batería evitó que el sistema UPS continuara los ciclos repetidos de carga de ecualización después del cuarto ciclo, evitando así el riesgo de que las baterías se incendiaran.

5. Medidas Correctivas para la Falla

Las medidas correctivas incluyen dos aspectos:

Primero, modificar temporalmente los parámetros de carga de la batería del UPS:

• Desactivar la configuración de carga de ecualización en el sistema UPS.

• Ajustar la corriente de activación para cambiar de carga flotante a carga de ecualización a 3A (aunque 3A sigue siendo algo bajo, ya que el mínimo predeterminado es 3A, pero anteriormente estaba configurado en 1A).

• Ajustar el tiempo de protección de carga de ecualización a 1 hora (anteriormente estaba configurado en 12 horas).

En segundo lugar, la sucursal reemplazó los dos grupos de baterías por baterías de respaldo, pero estas tienen una capacidad de solo 50 Ah, por lo que solo pueden utilizarse para propósitos de emergencia temporal. Existen planes para transferir la carga del sistema UPS a otras fuentes de energía en el futuro, con el fin de resolver a fondo los problemas de seguridad en el suministro eléctrico.

El operador gasta una cantidad considerable anualmente en servicios de mantenimiento para el sistema UPS. Sin embargo, debido a la negligencia y descuido del personal de mantenimiento, incluso modificaron por error los valores predeterminados del sistema UPS, lo cual es verdaderamente increíble. Se recomienda que el fabricante del UPS tome en serio el mantenimiento de sus productos y evite cometer errores tan básicos en el futuro, mejorando la calidad de sus servicios de mantenimiento. Al mismo tiempo, se sugiere que el operador también preste mayor atención a los servicios de mantenimiento proporcionados por el fabricante del UPS y establezca un sistema de evaluación para mejorar continuamente la operación segura y confiable del sistema UPS.