Analyse des USV-Batterieausfalls in einem Internet-Rechenzentrum

Die Leistung eines Telekommunikationsstandorts gilt als das Blut eines Telekommunikationsnetzes, während die Batterie als dessen Blutreservoir gilt, das den reibungslosen Betrieb des Netzes gewährleistet. Allerdings war die Batteriewartung schon immer ein herausfordernder Aspekt. Da die Hersteller nach der zentralen Beschaffung die Preise kontinuierlich senken, ist die Qualität der Batterien deutlich zurückgegangen. Jedes Jahr sind mehr als 70 % der Ausfälle von Telekommunikationsstromsystemen auf Batterieprobleme zurückzuführen, was die Batteriewartung zu einem Problem für das Wartungspersonal macht. Dieser Artikel bietet eine Analyse der Hauptursachen für Batterieausfälle, die als nützliche Referenz für andere dienen kann.

1. Übersicht über die Stromversorgungsausrüstung vor Ort

Die Stromversorgung vor Ort besteht aus zwei 40-kVA-USV-Einheiten einer bekannten internationalen Marke. Die Batterien wurden im Jahr 2016 eingebaut. Nachfolgend finden Sie detaillierte Informationen:

UPS-Informationen	Batterieinformationen
Marke und Modell: Internationale Marke UPS UL33	Marke und Modell: 12V 100Ah
Konfiguration: 40 kVA, 2 Einheiten im Parallelsystem mit einer Last von jeweils ca. 5 kW	Anzahl der Batterien: 30 Zellen pro Gruppe, 2 Gruppen, insgesamt 60 Zellen
Inbetriebnahmedatum: 2006 (10 Dienstjahre)	Inbetriebnahmedatum: 2016 (5 Dienstjahre)

Am 6. Juni führte der USV-Hersteller eine routinemäßige Wartung durch und tauschte AC- und DC-Kondensatoren (5 Betriebsjahre) sowie die Lüfter aus. Während des Batterieentladetests (20 Minuten) wurde festgestellt, dass die Entladeleistung der Batterie schlecht war. Der Entladestrom betrug 16 A und nach 10 Minuten Entladezeit sank die Spannung mehrerer Zellen auf 11,6 V, es wurde jedoch keine Ausbeulung der Batterien beobachtet.

Bei der Inspektion wurde festgestellt, dass beide USV-Batteriegruppen Probleme mit der Ausbeulung hatten. Mit einem Multimeter maßen sie die Welligkeitsspannung des Batterieladevorgangs (gemessen mit der Wechselstromeinstellung), die bis zu 7 V betrug (weit über dem Wartungsstandard). Daher vermuteten sie zunächst, dass die von den Ingenieuren des USV-Herstellers ausgetauschten DC-Filterkondensatoren fehlerhaft waren, was zu einer übermäßigen Spannungswelligkeit auf dem DC-Bus der USV führte, was zu einer Ausbeulung der Batterie führte.

2. Fehlersituation vor Ort

Am 22. Juli führte das Team des Forschungsinstituts eine Sicherheitsinspektion in einer Zweigstelle durch. Sie stellten fest, dass die Batterien der USV-Anlagen im 5. Stock eines Gebäudes stark ausgebeult waren. Bei Stromausfällen im Netz befürchtete man, dass sich die Batterien nicht richtig entladen und es zu einem Unfall kommen könnte. Daraufhin empfahlen sie dem Wartungspersonal der Niederlassung umgehend, sich an die Ingenieure des Herstellers zu wenden, um mit allen drei Parteien am folgenden Nachmittag eine gemeinsame Untersuchungs- und Fehlerbehebungssitzung vor Ort zu vereinbaren.

Ausbeulung von 12V-Batterien

Am Nachmittag des 23. Juli trafen die drei Parteien vor Ort ein. Bei der Inspektion wurde festgestellt, dass beide USV-Einheiten normal funktionieren, mit einer Erhaltungsspannung der Batterien von etwa 404 V (entsprechend den eingestellten Parametern). Die Ingenieure des Herstellers verwendeten ein Fluke 287C-Multimeter (hohe Genauigkeit), um die Welligkeitsspannung des Batterieladevorgangs zu messen, die etwa 0,439 V betrug. Eine Strommesszange Fluke 376 (geringere Genauigkeit) misst etwa 0,4 V. Die Ergebnisse beider Instrumente waren ähnlich und lagen innerhalb des typischen Brummspannungsbereichs für das Gerät (im Allgemeinen weniger als 1 % der Busspannung). Dies deutete darauf hin, dass die ausgetauschten Gleichstromkondensatoren konform waren und normal funktionierten. Damit konnte die bisher vermutete Theorie, dass der Kondensatorwechsel zu einer zu hohen Spannungswelligkeit und einer Ausbeulung der Batterie geführt habe, ausgeschlossen werden.

Multimeter: 0,439 V

Strommesszange: ca. 0,4 V

Eine Überprüfung der historischen Aufzeichnungen des USV-Systems ergab, dass beide USV-Einheiten am 6. Juni einem 15-minütigen Batterieentladetest unterzogen wurden. Nach Wiederherstellung des Hauptnetzschalters wurde eine 6-minütige Ausgleichsladung durchgeführt, gefolgt von einem 14-minütigen Batterieentladetest durch die Ingenieure des Herstellers. Nach dem Test leitete das USV-System automatisch vier aufeinanderfolgende 12-stündige Ausgleichsladungen ein, wobei jede Phase durch ein einminütiges Intervall getrennt war, und endete am 9. Juni um 5:32 Uhr. Seitdem sind die Batterien im Erhaltungslademodus geblieben.

Eine weitere Untersuchung der ursprünglichen USV-Batterieeinstellungen ergab Folgendes:

• Die Batterielebensdauer wurde auf 48 Monate (4 Jahre) festgelegt, obwohl die tatsächliche Lebenserwartung einer 12-V-Batterie 5 Jahre betragen sollte.

• Ausgleichsladen wurde auf „aktiviert“ gesetzt.

• Die Ladestrombegrenzung wurde auf 10A eingestellt.

• Der Auslöser für die Umschaltung auf Ausgleichsladung wurde auf 1 A eingestellt (das System würde automatisch auf Ausgleichsladung umschalten, wenn der Erhaltungsladestrom 1 A übersteigt, obwohl der Standardwert für dieses Modell 0,03C10~0,05C10 beträgt, was bedeutet, dass die Ausgleichsladung ausgelöst wird). wenn der Erhaltungsladestrom 3–5 A erreicht. Aus unbekannten Gründen hatte das Wartungspersonal des Herstellers diesen jedoch auf 0,01 C10 eingestellt, was bedeutet, dass die Ausgleichsladung ausgelöst würde, wenn der Erhaltungsladestrom 1 A erreicht.

• Die Schutzzeit für das ausgeglichene Laden wurde auf 720 Minuten eingestellt (das ausgeglichene Laden stoppt automatisch nach 12 Stunden).

3. Analyse der Fehlerursachen

Basierend auf den oben genannten Umständen kann der Fehlerprozess wie folgt analysiert werden:

• Die beiden Batteriegruppen dieser USV-Anlage waren 4 Jahre im Einsatz (die Lebensdauer von 12V-Batterien beträgt 5 Jahre) und die Batteriekapazität hatte deutlich abgenommen. Vor dem Ausfall war das äußere Erscheinungsbild der Batterie jedoch normal und es gab keine Anzeichen einer Ausbeulung. Eine weitere Überprüfung der historischen UPS-Aufzeichnungen vom 30. Januar 2019 (Aufzeichnungen vor diesem Datum wurden gelöscht) bis zum 6. Juni 2020 ergab, dass das USV-System 12 Ausgleichsladungen durchgeführt hatte, wobei die längste Dauer nicht mehr als 15 Minuten betrug. Dies weist darauf hin, dass die in der USV-Anlage vor der Wartung eingestellte Ausgleichsladedauer relativ kurz war, nämlich nur 15 Minuten, und die kurzfristige Ausgleichsladung der USV-Anlage nicht zu einer Ausbeulung der Batterien führt.

• Nach der Wartung und dem Austausch des Kondensators wurde die USV-Anlage neu gestartet. Die Steuerlogik erkannte die Batterie als neu angeschlossen, leitete also eine 6-minütige Ausgleichsladung ein und schaltete dann auf eine Erhaltungsladung um. Nach einem anschließenden 14-minütigen Entladetest startete das USV-System jedoch automatisch eine Ausgleichsladung, um die Batterien vollständig aufzuladen. Da die Batterien vier Jahre lang verwendet wurden, hatte sich ihre interne Ladungserhaltungsfähigkeit verschlechtert, was dazu führte, dass der Erhaltungsladestrom 1 A überstieg und die im USV-System eingestellte 1 A-Schwelle für ausgeglichenes Laden auslöste (der Standardwert für dieses Modell liegt bei 3–5 A). Erhaltungsladestrom, um eine Ausgleichsladung auszulösen, aber aus irgendeinem Grund hatte das Wartungspersonal dies auf 1A geändert. Dies führte dazu, dass die USV-Anlage wiederholt die Ausgleichsladung einleitete, bis ein interner Batterie-Unterbrechungsstromkreis sie schließlich stoppte (andernfalls hätte die USV-Anlage die wiederholte Ausgleichsladung fortgesetzt, was zu einem Brand der Batteriegruppe hätte führen können). Während dieses Zeitraums durchliefen die Batterien vier kontinuierliche Ausgleichsladezyklen über 48 Stunden (jeder Zyklus wurde alle 12 Stunden nur für eine Minute unterbrochen, bevor die Ausgleichsladung wieder aufgenommen wurde). Nach einer so langen Ausgleichsladung kam es schließlich zu einer Ausbeulung der Batterien und sogar zu einer Verformung der Entlüftungsventile.

4. Abschluss

Basierend auf den obigen Beobachtungen und Analysen sind die Ursachen für den Batterieausfall in diesem USV-System folgende:

• Die direkte Ursache war die falsche Einstellung der Ladeparameter des USV-Systems, die zu einer kontinuierlichen Ausgleichsladung über 48 Stunden mit nur 1-minütigen Intervallen zwischen den einzelnen Zyklen führte. Selbst neue Batterien würden einer derart langen und intensiven Ausgleichsladung nicht standhalten, was in diesem Fall zum Ausfall der Batterie führte.

• Das USV-Systemmodell ist ein frühes Design mit funktionalen Einschränkungen. Diesem älteren USV-Modell (entwickelt vor 20 Jahren) fehlte die Einstellung „Schutzzeit für ausgeglichenes Ladeintervall“ (andere Marken legen dieses Intervall normalerweise auf 7 Tage fest), was zu kontinuierlichen, mehrfachen ausgeglichenen Ladezyklen führte.

• Aufgrund des Alters (4 Jahre im Einsatz) hatte sich die Leistung der Batterien verschlechtert, was zu einer verringerten Entladekapazität und einer schlechten Ladungserhaltung führte. Vor dem 6. Juni war der Stromschwellenwert für die Umwandlung von Ausgleichs- in Erhaltungsladung unangemessen niedrig angesetzt (nur 1 A für 100-Ah-Batterien). Der Standardwert des USV-Systems beträgt 3 bis 5 A, das Wartungspersonal hat ihn jedoch aus unerklärlichen Gründen auf 1 A geändert.

• Das USV-System war seit 14 Jahren in Betrieb, also weit über das Stilllegungsalter hinaus, sodass Messfehler unvermeidlich waren. Diese Fehler könnten dazu geführt haben, dass das System aufgrund einer ungenauen Stromerkennung wiederholt eine Ausgleichsladung einleitete.

• Glücklicherweise verhinderte ein offener Stromkreis in einer der Batteriezellen, dass das USV-System die wiederholten Ausgleichsladezyklen nach dem vierten Ausgleichsladen fortsetzen konnte, wodurch die Gefahr eines Brandes der Batterien vermieden wurde.

5. Abhilfemaßnahmen für den Fehler

Die Sanierungsmaßnahmen umfassen zwei Aspekte:

Ändern Sie zunächst vorübergehend die Ladeparameter der USV-Batterie:

• Deaktivieren Sie die Einstellung für ausgeglichenes Laden im USV-System.

• Passen Sie den Auslösestrom für den Wechsel von Erhaltungsladung zu Ausgleichsladung auf 3 A an (obwohl 3 A immer noch etwas niedrig ist, da das Standardminimum 3 A beträgt, es jedoch zuvor auf 1 A eingestellt war).

• Stellen Sie die Schutzzeit für ausgeglichenes Laden auf 1 Stunde ein (zuvor auf 12 Stunden eingestellt).

Zweitens hat die Niederlassung die beiden Batteriegruppen durch Pufferbatterien ersetzt, allerdings haben die Pufferbatterien nur eine Kapazität von 50 Ah und können daher nur für vorübergehende Notfälle eingesetzt werden. Es ist geplant, in Zukunft die Last von der USV-Anlage auf andere Stromquellen zu verlagern, um die Sicherheitsprobleme der Stromversorgung umfassend zu lösen.

Der Betreiber gibt jedes Jahr einen beträchtlichen Betrag für die Wartung des USV-Systems aus, doch aufgrund der Nachlässigkeit und Nachlässigkeit des Wartungspersonals wurden sogar versehentlich die Standardwerte des USV-Systems geändert, was wirklich unglaublich ist. Dem USV-Hersteller wird empfohlen, die Wartung seiner Produkte ernst zu nehmen und solche grundlegenden Fehler in Zukunft zu vermeiden, um die Qualität seiner Wartungsdienste zu verbessern. In der Zwischenzeit wird empfohlen, dass der Betreiber auch den nachfolgenden Wartungsleistungen des USV-Herstellers mehr Aufmerksamkeit schenkt und ein Bewertungssystem etabliert, um den sicheren und zuverlässigen Betrieb des USV-Systems kontinuierlich zu verbessern.