Análise de falhas de bateria UPS em um data center de Internet

A energia de um site de telecomunicações é considerada a força vital de uma rede de telecomunicações, enquanto a bateria é considerada sua força vital, garantindo a operação contínua da rede. No entanto, a manutenção da bateria sempre foi um aspecto desafiador. Com os fabricantes reduzindo continuamente os preços seguindo a aquisição centralizada, a qualidade da bateria diminuiu significativamente. A cada ano, mais de 70% das falhas no sistema de energia de telecomunicações são atribuídas a problemas de bateria, tornando a manutenção da bateria uma dor de cabeça para a equipe de manutenção. Este artigo fornece uma análise das principais causas de falha da bateria, que pode servir como uma referência útil para outros.

1. Resumo do equipamento elétrico no local

O equipamento de energia no local consiste em duas unidades UPS de 40 kVA de uma marca internacional conhecida. As baterias foram instaladas em 2016. Os detalhes são fornecidos abaixo:

Em 6 de junho, o fabricante do UPS realizou manutenção de rotina, substituindo os capacitores CA e CC (após 5 anos de serviço) e os ventiladores. Durante o teste de descarga da bateria (20 minutos), o desempenho de descarga da bateria foi considerado ruim. A corrente de descarga foi de 16 A e após 10 minutos de descarga, a voltagem de várias células caiu para 11,6 V, mas não foi observado inchaço nas baterias.

Durante a inspeção, foi constatado que ambos os conjuntos de baterias do UPS apresentavam problemas de inchaço. Usando um multímetro, eles mediram a ondulação de tensão de carga das baterias (medida na configuração CA), que atingiu 7 V (bem acima do padrão de manutenção). Como resultado, eles inicialmente suspeitaram que os capacitores do filtro CC substituídos pelos engenheiros do fabricante do UPS estavam com defeito, causando ondulação excessiva na tensão do barramento CC do UPS e levando ao inchaço da bateria.

2. Situação de falha no local

Em 22 de julho, a equipe do Instituto de Pesquisa realizou uma inspeção de segurança em uma filial. Eles descobriram que as baterias dos sistemas UPS no quinto andar de um prédio estavam muito inchadas. Se ocorressem cortes de energia na rede, havia o receio de que as baterias não descarregassem corretamente, o que poderia causar um acidente. Como resultado, eles imediatamente recomendaram que a equipe de manutenção da filial entrasse em contato com os engenheiros do fabricante para agendar uma investigação conjunta no local e uma sessão de solução de problemas com as três partes na tarde seguinte.

 Inchaço de baterias de 12V

Na tarde de 23 de julho, os três grupos chegaram ao local. Após a inspeção, ambas as unidades UPS estavam operando normalmente, com uma tensão de flutuação de aproximadamente 404 V para as baterias (de acordo com os parâmetros estabelecidos). Os engenheiros do fabricante usaram um multímetro Fluke 287C (de alta precisão) para medir a ondulação de tensão de carga das baterias, que era de aproximadamente 0,439 V. Um alicate amperímetro Fluke 376 (menos preciso) mediu cerca de 0,4 V. Os resultados de ambos os instrumentos foram semelhantes e estavam dentro da faixa de tensão de ondulação típica do equipamento (geralmente menos de 1% da tensão do barramento). Isso indicou que os capacitores CC substituídos estavam em conformidade e operando normalmente. Dessa forma, a teoria anteriormente suspeita de que a substituição dos capacitores causava ondulação excessiva na tensão e inchaço das baterias foi descartada.

Multímetro: 0,439 V

Alicate amperímetro: cerca de 0,4 V

Uma revisão dos registros históricos do sistema UPS mostrou que, em 6 de junho, ambas as unidades UPS realizaram um teste de descarga de bateria de 15 minutos. Após a restauração do interruptor principal de energia, foi realizada uma carga de equalização de 6 minutos, seguida por um teste de descarga de bateria de 14 minutos realizado pelos engenheiros do fabricante. Após o teste, o sistema UPS iniciou automaticamente quatro ciclos consecutivos de equalização de carga de 12 horas, com cada fase separada por um intervalo de 1 minuto, concluindo às 5h32 do dia 9 de junho. Desde então, as baterias permaneceram em modo de carga flutuante.

Um exame mais aprofundado das configurações originais da bateria do UPS revelou o seguinte:

• A duração da bateria foi definida para 48 meses (4 anos), embora a expectativa de vida real de uma bateria de 12 V deva ser de 5 anos.

• O carregamento de equalização foi definido como “habilitado”.

• O limite de corrente de carga foi definido como 10A.

• O gatilho para alternar para o carregamento de equalização foi definido como 1A (o sistema alternaria automaticamente para o carregamento de equalização se a corrente de carga de flutuação excedesse 1A, embora o valor padrão para este modelo seja 0,03C10~0,05C10, o que significa que o carregamento de equalização é ativado quando a corrente de carga de flutuação atinge 3-5A. No entanto, por razões desconhecidas, a equipe de manutenção do fabricante definiu esse valor como 0,01C10, o que significa que o carregamento de equalização seria ativado quando a corrente de carga de flutuação atingisse 1A).

• O tempo de proteção da carga de equalização foi definido para 720 minutos (a carga de equalização pararia automaticamente após 12 horas).

3. Análise das Causas da Falha

De acordo com as circunstâncias descritas, o processo de falha pode ser analisado da seguinte forma:

• Os dois conjuntos de baterias neste sistema UPS estavam em uso há 4 anos (a vida útil das baterias de 12 V é de 5 anos) e a capacidade da bateria havia diminuído significativamente. Entretanto, antes da falha, a aparência externa das baterias era normal, sem sinais de inchaço. Uma análise mais aprofundada dos registros históricos da UPS de 30 de janeiro de 2019 (os registros anteriores a essa data foram excluídos) a 6 de junho de 2020 mostrou que o sistema UPS realizou 12 cargas de equalização, com duração máxima de no máximo 15 minutos. Isso indica que a duração da carga de equalização estabelecida no sistema UPS antes da manutenção foi relativamente curta, apenas 15 minutos, e que o carregamento de equalização de curto prazo do sistema UPS não causaria inchaço nas baterias.

• Após a manutenção e substituição do capacitor, o sistema UPS foi reiniciado. A lógica de controle identificou as baterias como conectadas recentemente, então iniciou uma carga de equalização de 6 minutos e depois mudou para carga de flutuação. Entretanto, após um teste de descarga de 14 minutos, o sistema UPS iniciou automaticamente o carregamento de equalização para recarregar completamente as baterias. Como as baterias estavam em uso há 4 anos, sua capacidade interna de retenção de carga se deteriorou, fazendo com que a corrente de carga de flutuação excedesse 1 A, acionando o limite de carga de equalização de 1 A definido no sistema UPS (o padrão para este modelo é 3~5 A para a corrente de carga de flutuação acionar a carga de equalização, mas, por algum motivo, a equipe de manutenção mudou para 1 A). Isso fez com que o sistema UPS iniciasse repetidamente o carregamento de equalização até que um circuito aberto da bateria interna finalmente o interrompesse (caso contrário, o sistema UPS teria continuado os carregamentos de equalização repetidos, potencialmente causando um incêndio na bateria). Durante esse período, as baterias passaram por quatro ciclos contínuos de carga de equalização ao longo de 48 horas (cada ciclo foi pausado por apenas 1 minuto a cada 12 horas antes de retomar o carregamento de equalização). Após uma carga de equalização tão prolongada, as baterias acabaram inchando e, em alguns casos, até mesmo as válvulas de ventilação ficaram deformadas.

4. Conclusão

Com base nas observações e análises acima, as causas da falha da bateria neste sistema UPS são as seguintes:

• A causa direta foi uma configuração inadequada dos parâmetros de carregamento do sistema UPS, o que levou ao carregamento de equalização contínuo por 48 horas com intervalos de apenas 1 minuto entre cada ciclo. Mesmo baterias novas não suportariam uma carga de equalização tão prolongada e intensa, o que causou a falha de inchaço da bateria neste caso.

• O modelo do sistema UPS é um projeto mais antigo com limitações funcionais. Este modelo mais antigo de UPS (projetado há 20 anos) não tinha uma configuração de “tempo de proteção do intervalo de carga de equalização” (outras marcas normalmente definem esse intervalo para 7 dias), resultando em vários ciclos contínuos de carga de equalização.

• O desempenho das baterias se degradou devido à idade (4 anos de serviço), com capacidade de descarga reduzida e baixa retenção de carga. Antes de 6 de junho, o limite de conversão de carga de equalização para carga flutuante foi definido de forma irracional em um valor baixo (apenas 1 A para baterias de 100 Ah). O valor padrão do sistema UPS é 3~5A, mas a equipe de manutenção inexplicavelmente o alterou para 1A.

• O sistema UPS estava em operação há 14 anos, muito além de sua vida útil, tornando erros de medição inevitáveis. Esses erros podem ter feito com que o sistema iniciasse repetidamente o carregamento de equalização devido à detecção imprecisa de corrente.

• Felizmente, um circuito aberto em uma das células da bateria impediu que o sistema UPS continuasse ciclos repetidos de carga de equalização após o quarto ciclo, evitando assim o risco de as baterias pegarem fogo.

5. Medidas corretivas para a falha

As medidas corretivas incluem dois aspectos:

Primeiro, modifique temporariamente os parâmetros de carregamento da bateria do UPS:

• Desabilite a configuração de carga de equalização no sistema UPS.

• Ajuste a corrente de ativação para alternar entre carga de flutuação e carga de equalização para 3A (embora 3A ainda seja um pouco baixo, já que o mínimo padrão é 3A, mas antes era definido como 1A).

• Defina o tempo de proteção de carga de equalização para 1 hora (anteriormente definido para 12 horas).

Em segundo lugar, a filial substituiu os dois bancos de baterias por baterias de reserva, mas estas têm capacidade de apenas 50 Ah, podendo ser utilizadas apenas para fins emergenciais temporários. Há planos para transferir a carga do sistema UPS para outras fontes de energia no futuro, a fim de resolver completamente os problemas de segurança energética.

A operadora gasta uma quantia considerável anualmente em serviços de manutenção do sistema UPS. Entretanto, devido à negligência e ao descuido da equipe de manutenção, eles até modificaram acidentalmente as configurações padrão do sistema UPS, o que é realmente inacreditável. Os fabricantes de UPS são incentivados a levar a sério a manutenção dos produtos e evitar esses erros básicos no futuro, melhorando a qualidade de seus serviços de manutenção. Ao mesmo tempo, sugere-se que o operador também preste mais atenção aos serviços de manutenção fornecidos pelo fabricante do UPS e estabeleça um sistema de avaliação para melhorar continuamente a operação segura e confiável do sistema UPS.