تحليل فشل بطارية UPS في مركز بيانات الإنترنت

تعتبر قوة موقع الاتصالات بمثابة دماء شبكة الاتصالات، في حين تعتبر البطارية بمثابة خزان الدم، مما يضمن التشغيل السلس للشبكة. ومع ذلك، كانت صيانة البطارية دائمًا جانبًا صعبًا. مع قيام الشركات المصنعة بتخفيض الأسعار بشكل مستمر بعد الشراء المركزي، انخفضت جودة البطاريات بشكل كبير. في كل عام، يُعزى أكثر من 70% من حالات فشل نظام طاقة الاتصالات إلى مشكلات البطارية، مما يجعل صيانة البطارية بمثابة صداع لموظفي الصيانة. تقدم هذه المقالة تحليلاً للأسباب الرئيسية لفشل البطارية، والذي قد يكون بمثابة مرجع مفيد للآخرين.

1. نظرة عامة على معدات الطاقة في الموقع

تتكون معدات الطاقة الموجودة في الموقع من وحدتي UPS بقدرة 40 كيلو فولت أمبير من علامة تجارية عالمية معروفة. تم تركيب البطاريات في عام 2016. وفيما يلي معلومات مفصلة:

معلومات يو بي إس	معلومات البطارية
العلامة التجارية والطراز: العلامة التجارية الدولية UPS UL33	العلامة التجارية والطراز: 12 فولت 100 أمبير
التكوين: 40 كيلو فولت أمبير، وحدتان في نظام متوازي، كل منهما بحمل حوالي 5 كيلو واط	عدد البطاريات: 30 خلية لكل مجموعة، مجموعتان، بإجمالي 60 خلية
تاريخ التشغيل: 2006 (10 سنوات من الخدمة)	تاريخ التشغيل: 2016 (5 سنوات من الخدمة)

في السادس من يونيو، أجرت الشركة المصنعة لـ UPS صيانة روتينية، حيث استبدلت مكثفات التيار المتردد والتيار المستمر (5 سنوات من الخدمة) والمراوح. أثناء اختبار تفريغ البطارية (20 دقيقة)، تبين أن أداء تفريغ البطارية كان ضعيفًا. كان تيار التفريغ 16 أمبير، وبعد 10 دقائق من التفريغ، انخفض جهد عدة خلايا إلى 11.6 فولت، ولكن لم يلاحظ أي انتفاخ للبطاريات.

لقد تبين أن كلتا مجموعتي بطاريات UPS واجهتا مشكلات في الانتفاخ أثناء الفحص. باستخدام مقياس متعدد، قاموا بقياس جهد تموج شحن البطارية (الذي تم قياسه باستخدام إعداد التيار المتردد)، والذي كان يصل إلى 7 فولت (وهو ما يتجاوز بكثير معيار الصيانة). ونتيجة لذلك، اشتبهوا في البداية في أن مكثفات مرشح التيار المستمر التي استبدلها مهندسو الشركة المصنعة لـ UPS كانت معيبة، مما تسبب في تموج الجهد الزائد على ناقل التيار المستمر الخاص بـ UPS، مما أدى إلى انتفاخ البطارية.

2. حالة الفشل في الموقع

في 22 يوليو، أجرى فريق من معهد الأبحاث فحصًا للسلامة في أحد المكاتب الفرعية. اكتشفوا أن بطاريات أنظمة UPS الموجودة في الطابق الخامس من المبنى كانت منتفخة بشدة. في حالة انقطاع التيار الكهربائي عن الشبكة، كان هناك مخاوف من أن البطاريات قد لا تفرغ بشكل صحيح، مما قد يؤدي إلى وقوع حادث. ونتيجة لذلك، أوصوا على الفور بأن يقوم موظفو الصيانة بالفرع بالاتصال بمهندسي الشركة المصنعة لترتيب تحقيق مشترك في الموقع وجلسة لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها مع الأطراف الثلاثة بعد ظهر اليوم التالي.

انتفاخ بطاريات 12 فولت

وبعد ظهر يوم 23 يوليو/تموز، وصلت الأطراف الثلاثة إلى الموقع. عند الفحص، تبين أن كلتا وحدتي UPS تعملان بشكل طبيعي، مع جهد عائم يبلغ حوالي 404 فولت للبطاريات (بما يتماشى مع المعلمات المحددة). استخدم مهندسو الشركة المصنعة مقياس Fluke 287C المتعدد (دقة عالية) لقياس جهد تموج شحن البطارية، والذي كان حوالي 0.439 فولت. مقياس المشبك Fluke 376 (دقة أقل) يقاس بحوالي 0.4 فولت. كانت النتائج من كلا الجهازين متشابهة وتقع ضمن نطاق جهد التموج النموذجي للمعدات (عمومًا أقل من 1% من جهد الناقل). يشير هذا إلى أن مكثفات التيار المستمر المستبدلة كانت متوافقة وتعمل بشكل طبيعي. لذلك، تم استبعاد النظرية المشتبه بها مسبقًا والتي تقول إن استبدال المكثف تسبب في تموج مفرط في الجهد وانتفاخ البطارية.

المتعدد: 0.439 فولت

مقياس المشبك: حوالي 0.4 فولت

أظهرت مراجعة السجلات التاريخية لنظام UPS أنه في 6 يونيو، خضعت وحدتا UPS لاختبار تفريغ البطارية لمدة 15 دقيقة. بعد استعادة مفتاح الطاقة الرئيسي، تم إجراء عملية شحن متساوية لمدة 6 دقائق، يليها اختبار تفريغ البطارية لمدة 14 دقيقة من قبل مهندسي الشركة المصنعة. بعد الاختبار، بدأ نظام UPS تلقائيًا أربع عمليات شحن متساوية مدتها 12 ساعة، مع فصل كل مرحلة بفاصل زمني مدته دقيقة واحدة، وانتهى عند الساعة 5:32 صباحًا يوم 9 يونيو. ومنذ ذلك الحين، ظلت البطاريات في وضع الشحن العائم.

كشف الفحص الإضافي لإعدادات بطارية UPS الأصلية ما يلي:

• تم ضبط عمر البطارية على 48 شهرًا (4 سنوات)، على الرغم من أن العمر المتوقع الفعلي لبطارية 12 فولت يجب أن يكون 5 سنوات.

• تم ضبط الشحن المعادل على 'ممكّن'.

• تم ضبط حد الشحن الحالي على 10A.

• تم ضبط مشغل التحول إلى الشحن المعادل على 1A (سيتحول النظام تلقائيًا إلى الشحن المعادل إذا تجاوز تيار الشحن العائم 1A، على الرغم من أن القيمة الافتراضية لهذا النموذج هي 0.03C10~0.05C10، مما يعني أنه يتم تشغيل الشحن المعادل عندما يصل تيار الشحن العائم إلى 3-5A، ومع ذلك، لأسباب غير معروفة، قام موظفو الصيانة في الشركة المصنعة بتعديل هذا إلى 0.01C10، مما يعني أنه سيتم تشغيل الشحن المتوازن عندما يصل تيار الشحن العائم إلى 1A).

• تم ضبط وقت حماية الشحن المعادل على 720 دقيقة (سيتوقف الشحن المعادل تلقائيًا بعد 12 ساعة).

3. تحليل أسباب الفشل

بناءً على الظروف المذكورة أعلاه، يمكن تحليل عملية الفشل على النحو التالي:

• تم استخدام مجموعتي البطاريات في نظام UPS هذا لمدة 4 سنوات (عمر خدمة البطاريات 12 فولت هو 5 سنوات)، وقد انخفضت سعة البطارية بشكل ملحوظ. ومع ذلك، قبل العطل، كان المظهر الخارجي للبطارية طبيعيًا، دون أي علامات انتفاخ. أظهرت مراجعة أخرى لسجلات UPS التاريخية من 30 يناير 2019 (تم مسح السجلات قبل هذا التاريخ) إلى 6 يونيو 2020، أن نظام UPS قد أجرى 12 عملية شحن متساوية، مع ألا تزيد المدة الأطول عن 15 دقيقة. يشير هذا إلى أن مدة الشحن المعادل المحددة في نظام UPS قبل الصيانة كانت قصيرة نسبيًا، 15 دقيقة فقط، ولن يتسبب الشحن المعادل قصير المدى لنظام UPS في انتفاخ البطاريات.

• بعد إجراء الصيانة واستبدال المكثف، تم إعادة تشغيل نظام UPS. حدد منطق التحكم البطارية على أنها متصلة حديثًا، لذلك بدأ شحنًا متساويًا لمدة 6 دقائق ثم تحول إلى الشحن العائم. ومع ذلك، بعد اختبار التفريغ اللاحق لمدة 14 دقيقة، بدأ نظام UPS تلقائيًا في الشحن المتوازن لإعادة شحن البطاريات بالكامل. نظرًا لاستخدام البطاريات لمدة 4 سنوات، فقد تدهورت قدرتها على الاحتفاظ بالشحن الداخلي، مما تسبب في تجاوز تيار الشحن العائم 1 أمبير، مما أدى إلى تحديد حد الشحن المعادل 1 أمبير في نظام UPS (القيمة الافتراضية لهذا الطراز هي 3 ~ 5 أمبير تيار الشحن العائم لتحفيز الشحن المتساوي، ولكن لسبب ما، قام موظفو الصيانة بتعديل هذا إلى 1A). أدى ذلك إلى قيام نظام UPS ببدء الشحن المعادل بشكل متكرر حتى أوقفته دائرة مفتوحة للبطارية الداخلية أخيرًا (وإلا، لكان نظام UPS قد استمر في الشحن المتوازن المتكرر، مما قد يؤدي إلى اشتعال النيران في مجموعة البطارية). خلال هذه الفترة، خضعت البطاريات لأربع دورات شحن متساوية متواصلة على مدار 48 ساعة (توقفت كل دورة مؤقتًا لمدة دقيقة واحدة فقط كل 12 ساعة قبل استئناف الشحن المتوازن). بعد هذا الشحن المتساوي لفترة طويلة، ظهرت البطاريات في النهاية منتفخة، وحتى صمامات التنفيس أصبحت مشوهة.

4. خاتمة

بناءً على الملاحظات والتحليلات المذكورة أعلاه، فإن أسباب فشل البطارية في نظام UPS هذا هي كما يلي:

• كان السبب المباشر هو الإعداد غير الصحيح لمعلمات الشحن الخاصة بنظام UPS، مما أدى إلى الشحن المتوازن المستمر لمدة 48 ساعة مع فواصل زمنية مدتها دقيقة واحدة فقط بين كل دورة. حتى البطاريات الجديدة لن تتحمل مثل هذا الشحن المتساوي المطول والمكثف، مما يؤدي إلى فشل انتفاخ البطارية في هذه الحالة.

• يعد نموذج نظام UPS بمثابة تصميم مبكر مع قيود وظيفية. كان طراز UPS الأقدم هذا (المصمم منذ 20 عامًا) يفتقر إلى إعداد 'وقت حماية الفاصل الزمني للشحن المتساوي' (تقوم العلامات التجارية الأخرى عادةً بتعيين هذا الفاصل الزمني على 7 أيام)، مما يؤدي إلى دورات شحن متعددة ومتواصلة.

• لقد تدهور أداء البطاريات بسبب عمرها (4 سنوات في الخدمة)، مع انخفاض قدرة التفريغ وضعف الاحتفاظ بالشحن. قبل 6 يونيو، تم تعيين عتبة تيار تحويل الشحنة المتساوية إلى العائمة على مستوى منخفض بشكل غير معقول (1 أمبير فقط لبطاريات 100 أمبير). القيمة الافتراضية لنظام UPS هي 3~5A، ومع ذلك قام موظفو الصيانة بتعديلها لسبب غير مفهوم إلى 1A.

• لقد ظل نظام UPS قيد التشغيل لمدة 14 عامًا، أي بعد فترة طويلة من عمر إيقاف التشغيل، مما يجعل أخطاء القياس أمرًا لا مفر منه. ربما تسببت هذه الأخطاء في قيام النظام ببدء الشحن المتساوي بشكل متكرر بسبب الكشف غير الدقيق عن التيار.

• ولحسن الحظ، منعت الدائرة المفتوحة في إحدى خلايا البطارية نظام UPS من الاستمرار في دورات الشحن المتوازن المتكررة بعد الشحن المعادل الرابع، وبالتالي تجنب احتمال اشتعال البطاريات.

5. التدابير العلاجية للفشل

وتشمل التدابير العلاجية جانبين:

أولاً، قم بتعديل معلمات شحن بطارية UPS مؤقتًا:

• قم بتعطيل إعداد الشحن المعادل في نظام UPS.

• اضبط تيار الزناد للتبديل من الشحن العائم إلى الشحن المعادل إلى 3A (على الرغم من أن 3A لا يزال منخفضًا إلى حد ما، حيث أن الحد الأدنى الافتراضي هو 3A، ولكن تم ضبطه مسبقًا على 1A).

• اضبط وقت حماية الشحن المعادل على ساعة واحدة (تم ضبطه مسبقًا على 12 ساعة).

ثانيًا، قام المكتب الفرعي باستبدال مجموعتي البطاريات ببطاريات احتياطية، لكن البطاريات الاحتياطية تبلغ سعتها 50 أمبير فقط، لذا لا يمكن استخدامها إلا لأغراض الطوارئ المؤقتة. هناك خطط لنقل الحمل من نظام UPS إلى مصادر طاقة أخرى في المستقبل، لحل مشكلات سلامة مصدر الطاقة بشكل كامل.

ينفق المشغل مبلغًا كبيرًا سنويًا على خدمات الصيانة لنظام UPS، ولكن بسبب إهمال موظفي الصيانة وإهمالهم، قاموا عن طريق الخطأ بتعديل القيم الافتراضية لنظام UPS، وهو أمر لا يصدق حقًا. من المستحسن أن تأخذ الشركة المصنعة لـ UPS صيانة منتجاتها على محمل الجد وتتجنب ارتكاب مثل هذه الأخطاء الأساسية في المستقبل، مما يؤدي إلى تحسين جودة خدمات الصيانة الخاصة بها. وفي الوقت نفسه، يُقترح أن يولي المشغل أيضًا اهتمامًا أكبر لخدمات الصيانة اللاحقة التي تقدمها الشركة المصنعة لـ UPS وإنشاء نظام تقييم لتحسين التشغيل الآمن والموثوق لنظام UPS بشكل مستمر.