Análise de falhas de baterias de UPS em um data center da Internet

O fornecimento de energia para um local de telecomunicações é considerado a força vital de uma rede de telecomunicações, enquanto o Bateria As baterias são consideradas a força vital da rede, garantindo seu funcionamento contínuo. No entanto, a manutenção de baterias sempre representou um desafio. Com a redução constante dos preços pelos fabricantes em decorrência da centralização das compras, a qualidade das baterias diminuiu significativamente. A cada ano, mais de 70% das falhas no sistema de energia das telecomunicações são atribuídas a problemas nas baterias, tornando sua manutenção uma grande dor de cabeça para as equipes de manutenção. Este artigo apresenta uma análise das principais causas de falhas em baterias, que pode servir como uma referência útil para outros profissionais.

1. Visão geral da equipe de energia do local

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

No dia 6 de junho, o fabricante do UPS realizou manutenção de rotina, substituindo os capacitores CA e CC (após 5 anos de uso) e os ventiladores. Durante um teste de descarga de bateria de 20 minutos, foi constatado um desempenho ruim. A corrente de descarga era de 16 A e, após 10 minutos de descarga, a tensão de várias células caiu para 11,6 V, mas não foi observado inchaço nas baterias.

Durante a inspeção, constatou-se que ambos os bancos de baterias do UPS apresentavam problemas de inchaço. Utilizando um multímetro, a tensão de ondulação de carga das baterias (medida em configuração CA) atingiu 7 V (bem acima do padrão de manutenção). Consequentemente, suspeitou-se inicialmente que os capacitores de filtro CC, substituídos pelos engenheiros do fabricante do UPS, estivessem defeituosos, causando ondulação excessiva no barramento CC do UPS e levando ao inchaço das baterias.

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 severamente inchadas. Em caso de queda de energia, havia o receio de que as baterias não descarregassem corretamente, o que poderia levar a um acidente. Como resultado, eles recomendaram imediatamente que a equipe de manutenção da filial contatasse os engenheiros do fabricante para agendar uma investigação conjunta no local e uma sessão de solução de problemas com as três partes envolvidas na tarde seguinte.

 Inchaço da bateria de 12V

Na tarde de 23 de julho, as três partes chegaram ao local. Após a inspeção, constatou-se que ambas as unidades UPS estavam funcionando normalmente, com uma tensão de flutuação de aproximadamente 404 V para as baterias (de acordo com os parâmetros estabelecidos). Os engenheiros do fabricante utilizaram um multímetro Fluke 287C (alta precisão) para medir a ondulação da tensão de carga da bateria, que foi de aproximadamente 0,439 V. Um alicate amperímetro Fluke 376 (menor precisão) mediu aproximadamente 0,4 V. Os resultados de ambos os instrumentos foram semelhantes e dentro da faixa típica de ondulação de tensão para o equipamento (geralmente inferior a 1% da tensão do barramento). Isso indicou que os capacitores CC substituídos estavam em conformidade e funcionando normalmente. Portanto, a hipótese anterior de que a substituição dos capacitores teria causado ondulação excessiva de tensão e inchaço da bateria foi descartada.

Multímetro: 0,439 V

Amperímetro de alicate: aproximadamente 0,4 V

Uma análise dos registros históricos do sistema UPS mostrou que, em 6 de junho, ambas as unidades UPS foram submetidas a um teste de descarga de bateria de 15 minutos. Após o rearme do disjuntor principal, foi realizada uma carga de equalização de 6 minutos, seguida por um teste de descarga de bateria de 14 minutos conduzido 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 permanecem em modo de flutuação.

Uma análise mais detalhada das configurações originais da bateria do UPS revelou o seguinte:

• A duração da bateria foi definida em 48 meses (4 anos), embora a vida útil esperada de uma bateria de 12V seja de 5 anos.

• A carga de equalização foi definida como “ativada”.

• O limite da corrente de carregamento foi definido em 10A.

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

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

3. Análise das Causas da Falha

Com base nas circunstâncias descritas, o processo de falha pode ser analisado da seguinte forma:

Os dois bancos de baterias deste sistema UPS estavam em uso há quatro anos (a vida útil de baterias de 12V é de cinco anos) e sua capacidade havia diminuído significativamente. No entanto, antes da falha, as baterias pareciam normais externamente, sem sinais de inchaço. Uma análise mais detalhada dos registros históricos do UPS, de 30 de janeiro de 2019 (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 15 minutos. Isso indica que a duração da carga de equalização configurada no sistema UPS antes da manutenção era relativamente curta, apenas 15 minutos, e que cargas de equalização de curta duração no sistema UPS não causariam inchaço das baterias.

Após a manutenção e a substituição do capacitor, o sistema UPS foi reiniciado. A lógica de controle identificou as baterias como recém-conectadas, iniciando uma carga de equalização de 6 minutos e, em seguida, passando para a carga de flutuação. No entanto, após um teste de descarga de 14 minutos, o sistema UPS iniciou automaticamente a carga de equalização para recarregar completamente as baterias. Como as baterias estavam em uso há 4 anos, sua capacidade interna de retenção de carga havia se deteriorado, fazendo com que a corrente de carga de flutuação excedesse 1A, acionando o limite de 1A para carga de equalização definido no sistema UPS (o padrão para este modelo é de 3 a 5A para a corrente de carga de flutuação que aciona a carga de equalização, mas, por algum motivo, a equipe de manutenção alterou para 1A). Isso resultou no sistema UPS iniciando repetidamente a carga de equalização até que um circuito aberto interno na bateria finalmente a interrompesse (caso contrário, o sistema UPS teria continuado com a carga de equalização repetida, o que poderia ter causado um incêndio no banco de baterias). Durante esse período, as baterias passaram por quatro ciclos contínuos de carga de equalização ao longo de 48 horas (cada ciclo era pausado por apenas 1 minuto a cada 12 horas antes de retomar a carga de equalização). Após um período prolongado de carga de equalização, as baterias acabaram inchando e, em alguns casos, até mesmo as válvulas de ventilação se deformaram.

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 a configuração incorreta dos parâmetros de carregamento do sistema UPS, que levou a uma carga de equalização contínua por 48 horas com intervalos de apenas 1 minuto entre os ciclos. Mesmo baterias novas não suportariam uma carga de equalização tão prolongada e intensa, resultando no inchaço das baterias neste caso.

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

• O desempenho das baterias havia se deteriorado devido à idade (4 anos de uso), com capacidade de descarga reduzida e baixa retenção de carga. Antes de 6 de junho, o limite de conversão de carga de equalização para flutuação estava configurado com um valor muito baixo (apenas 1A para baterias de 100Ah). O valor padrão do sistema UPS é de 3 a 5A, mas a equipe de manutenção o alterou inexplicavelmente para 1A.

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

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

5. Medidas corretivas para a falha

As medidas corretivas incluem dois aspectos:

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

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

• Defina a corrente de ativação para alternar da carga flutuante para a carga de equalização para 3A (embora 3A ainda seja um valor um pouco baixo, já que o mínimo padrão é 3A, mas anteriormente estava definido como 1A).

• Ajuste o tempo de proteção da 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 uma capacidade de apenas 50 Ah, pelo que só podem ser utilizadas para fins de emergência temporários. Existem planos para transferir a carga do sistema UPS para outras fontes de energia no futuro, de forma a resolver definitivamente os problemas de segurança do fornecimento de energia.

A operadora gasta uma quantia considerável anualmente com serviços de manutenção do sistema UPS. No entanto, devido à negligência e ao descuido por parte da equipe de manutenção, chegaram a modificar erroneamente as configurações padrão do sistema UPS, o que é realmente inacreditável. Recomenda-se que o fabricante do UPS leve a manutenção do produto a sério e evite cometer erros tão básicos no futuro, aprimorando a qualidade de seus serviços de manutenção. Ao mesmo tempo, sugere-se que a operadora também preste mais atenção aos serviços de manutenção prestados pelo fabricante do UPS e estabeleça um sistema de avaliação para melhorar continuamente a operação segura e confiável do sistema UPS.