การวิเคราะห์ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ของ UPS ในศูนย์ข้อมูลทางอินเทอร์เน็ต

พลังของไซต์โทรคมนาคมถือเป็นเลือดของเครือข่ายโทรคมนาคม ในขณะที่แบตเตอรี่ถือเป็นแหล่งเก็บเลือด ช่วยปกป้องการทำงานของเครือข่ายได้อย่างราบรื่น อย่างไรก็ตาม การบำรุงรักษาแบตเตอรี่ถือเป็นเรื่องท้าทายมาโดยตลอด เนื่องจากผู้ผลิตลดราคาอย่างต่อเนื่องหลังจากการจัดซื้อจากส่วนกลาง คุณภาพของแบตเตอรี่จึงลดลงอย่างมาก ทุกปี ความล้มเหลวของระบบไฟฟ้าโทรคมนาคมมากกว่า 70% เกิดจากปัญหาแบตเตอรี่ ทำให้การบำรุงรักษาแบตเตอรี่เป็นเรื่องที่น่าปวดหัวสำหรับเจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุง บทความนี้นำเสนอการวิเคราะห์สาเหตุหลักของความล้มเหลวของแบตเตอรี่ ซึ่งอาจใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงที่เป็นประโยชน์สำหรับผู้อื่น

1. ภาพรวมอุปกรณ์ไฟฟ้าในสถานที่

อุปกรณ์ไฟฟ้าในสถานที่ประกอบด้วยเครื่อง UPS ขนาด 40kVA จำนวน 2 เครื่องจากแบรนด์ต่างประเทศที่มีชื่อเสียง มีการติดตั้งแบตเตอรี่ในปี 2559 ข้อมูลโดยละเอียดด้านล่างนี้:

ข้อมูลของยูพีเอส	ข้อมูลแบตเตอรี่
ยี่ห้อและรุ่น: แบรนด์ต่างประเทศ UPS UL33	ยี่ห้อและรุ่น: 12V 100Ah
รูปแบบ: 40 kVA, 2 ยูนิตในระบบขนาน โดยแต่ละยูนิตมีโหลดประมาณ 5 kW	จำนวนแบตเตอรี่: 30 เซลล์ต่อกลุ่ม 2 กลุ่มรวม 60 เซลล์
วันที่เริ่มดำเนินการ: พ.ศ. 2549 (อายุราชการ 10 ปี)	วันที่เริ่มดำเนินการ: 2559 (5 ปีแห่งการทำงาน)

เมื่อวันที่ 6 มิถุนายน ผู้ผลิต UPS ได้ทำการบำรุงรักษาตามปกติ โดยเปลี่ยนตัวเก็บประจุ AC และ DC (อายุการใช้งาน 5 ปี) และพัดลม ในระหว่างการทดสอบการคายประจุแบตเตอรี่ (20 นาที) พบว่าประสิทธิภาพการคายประจุของแบตเตอรี่ไม่ดี กระแสไฟคายประจุอยู่ที่ 16A และหลังจากการคายประจุเป็นเวลา 10 นาที แรงดันไฟฟ้าของหลายเซลล์ลดลงเหลือ 11.6V แต่ไม่พบการโป่งของแบตเตอรี่

พบว่าแบตเตอรี่ของ UPS ทั้งสองกลุ่มมีปัญหาโป่งระหว่างการตรวจสอบ พวกเขาใช้มัลติมิเตอร์ในการวัดแรงดันไฟฟ้าระลอกการชาร์จแบตเตอรี่ (วัดโดยใช้การตั้งค่า AC) ซึ่งสูงถึง 7V (เกินมาตรฐานการบำรุงรักษามาก) เป็นผลให้พวกเขาสงสัยในตอนแรกว่าตัวเก็บประจุตัวกรอง DC ที่แทนที่โดยวิศวกรของผู้ผลิต UPS นั้นผิดปกติ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมมากเกินไปบนบัส DC ของ UPS ส่งผลให้แบตเตอรี่โป่งออกมา

2. สถานการณ์ความล้มเหลวในไซต์งาน

เมื่อวันที่ 22 กรกฎาคม ทีมงานจากสถาบันวิจัยได้ทำการตรวจสอบความปลอดภัยที่สำนักงานสาขา พวกเขาพบว่าแบตเตอรี่ของระบบ UPS บนชั้น 5 ของอาคารมีการโปนอย่างรุนแรง หากมีไฟฟ้าดับจากโครงข่าย เกรงว่าแบตเตอรี่จะคายประจุไม่ถูกต้องและอาจนำไปสู่อุบัติเหตุได้ ด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงแนะนำทันทีให้เจ้าหน้าที่บำรุงรักษาของสาขาติดต่อวิศวกรของผู้ผลิตเพื่อจัดให้มีการสอบสวนและแก้ไขปัญหาร่วมกันที่ไซต์งานกับทั้งสามฝ่ายในบ่ายวันรุ่งขึ้น

การโป่งของแบตเตอรี่ 12V

ในช่วงบ่ายของวันที่ 23 กรกฎาคม ทั้งสามฝ่ายมาถึงที่เกิดเหตุ จากการตรวจสอบ พบว่า UPS ทั้งสองเครื่องทำงานได้ตามปกติ โดยมีแรงดันไฟฟ้าลอยประมาณ 404V สำหรับแบตเตอรี่ (ซึ่งสอดคล้องกับพารามิเตอร์ที่ตั้งไว้) วิศวกรของผู้ผลิตใช้มัลติมิเตอร์ Fluke 287C (ความแม่นยำสูง) เพื่อวัดแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมในการชาร์จแบตเตอรี่ ซึ่งมีค่าประมาณ 0.439V แคลมป์มิเตอร์ Fluke 376 (ความแม่นยำต่ำกว่า) วัดได้ประมาณ 0.4V ผลลัพธ์จากเครื่องมือทั้งสองมีความคล้ายคลึงกันและลดลงภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าริปเปิลทั่วไปสำหรับอุปกรณ์ (โดยทั่วไปจะน้อยกว่า 1% ของแรงดันไฟฟ้าบัส) สิ่งนี้บ่งชี้ว่าตัวเก็บประจุ DC ที่ถูกเปลี่ยนนั้นเป็นไปตามข้อกำหนดและทำงานได้ตามปกติ ดังนั้นทฤษฎีที่น่าสงสัยก่อนหน้านี้ที่ว่าการเปลี่ยนตัวเก็บประจุทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมมากเกินไปและการโป่งของแบตเตอรี่จึงถูกตัดออก

มัลติมิเตอร์: 0.439V

แคลมป์มิเตอร์: ประมาณ 0.4V

จากการตรวจสอบบันทึกทางประวัติศาสตร์ของระบบ UPS พบว่าในวันที่ 6 มิถุนายน UPS ทั้งสองเครื่องได้ผ่านการทดสอบการคายประจุแบตเตอรี่เป็นเวลา 15 นาที หลังจากเรียกคืนสวิตช์หลักแล้ว จะทำการชาร์จแบบเท่ากันเป็นเวลา 6 นาที ตามด้วยการทดสอบการคายประจุแบตเตอรี่เป็นเวลา 14 นาทีโดยวิศวกรของผู้ผลิต หลังจากการทดสอบ ระบบ UPS จะเริ่มต้นการชาร์จที่เท่ากันเป็นเวลา 12 ชั่วโมงสี่ครั้งติดต่อกันโดยอัตโนมัติ โดยแต่ละเฟสจะแยกออกจากกันในช่วงเวลา 1 นาที โดยสรุปในเวลา 5:32 น. ของวันที่ 9 มิถุนายน นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา แบตเตอรี่ยังคงอยู่ในโหมดการชาร์จแบบลอยตัว

การตรวจสอบการตั้งค่าแบตเตอรี่ดั้งเดิมของ UPS เพิ่มเติมเผยให้เห็นสิ่งต่อไปนี้:

• อายุการใช้งานแบตเตอรี่ตั้งไว้ที่ 48 เดือน (4 ปี) แม้ว่าอายุการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ 12V ควรอยู่ที่ 5 ปี

• การชาร์จที่เท่ากันได้รับการตั้งค่าเป็น 'เปิดใช้งานอยู่'

• ขีดจำกัดกระแสไฟชาร์จถูกตั้งไว้ที่ 10A

• ทริกเกอร์สำหรับการสลับการชาร์จแบบเท่ากันถูกตั้งค่าไว้ที่ 1A (ระบบจะเปลี่ยนเป็นการชาร์จแบบเท่ากันโดยอัตโนมัติ หากกระแสการชาร์จแบบลอยตัวเกิน 1A แม้ว่าค่าเริ่มต้นสำหรับรุ่นนี้คือ 0.03C10~0.05C10 ซึ่งหมายความว่าการชาร์จแบบเท่ากันจะถูกทริกเกอร์ เมื่อกระแสไฟแบบลอยถึง 3-5A อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลที่ไม่ทราบสาเหตุ เจ้าหน้าที่บำรุงรักษาของผู้ผลิตได้ปรับค่านี้เป็น 0.01C10 ซึ่งหมายความว่าการชาร์จที่เท่ากันจะถูกกระตุ้นเมื่อกระแสไฟแบบลอยถึง 1A)

• ตั้งเวลาการป้องกันการชาร์จที่เท่ากันไว้ที่ 720 นาที (การชาร์จที่เท่ากันจะหยุดโดยอัตโนมัติหลังจากผ่านไป 12 ชั่วโมง)

3. การวิเคราะห์สาเหตุของความล้มเหลว

จากสถานการณ์ข้างต้น สามารถวิเคราะห์กระบวนการล้มเหลวได้ดังต่อไปนี้:

• กลุ่มแบตเตอรี่สองกลุ่มของระบบ UPS นี้ใช้งานมาเป็นเวลา 4 ปี (อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ 12V คือ 5 ปี) และความจุของแบตเตอรี่ลดลงอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว ลักษณะภายนอกของแบตเตอรี่ยังปกติ โดยไม่มีสัญญาณของการโปน การตรวจสอบบันทึกประวัติของ UPS เพิ่มเติมตั้งแต่วันที่ 30 มกราคม 2019 (บันทึกก่อนวันที่นี้ถูกล้างแล้ว) จนถึงวันที่ 6 มิถุนายน 2020 แสดงให้เห็นว่าระบบ UPS ได้ดำเนินการชาร์จแบบเท่าเทียมกัน 12 ครั้ง โดยมีระยะเวลายาวนานที่สุดคือไม่เกิน 15 นาที สิ่งนี้บ่งชี้ว่าระยะเวลาการชาร์จที่เท่ากันที่ตั้งไว้ในระบบ UPS ก่อนการบำรุงรักษานั้นค่อนข้างสั้น เพียง 15 นาที และการชาร์จที่เท่ากันในระยะสั้นของระบบ UPS จะไม่ทำให้แบตเตอรี่นูน

• หลังจากการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนตัวเก็บประจุ ระบบ UPS ก็ถูกรีสตาร์ท ตรรกะการควบคุมระบุว่าแบตเตอรี่มีการเชื่อมต่อใหม่ ดังนั้นจึงเริ่มการชาร์จที่เท่ากันเป็นเวลา 6 นาที จากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นการชาร์จแบบลอย อย่างไรก็ตาม หลังจากการทดสอบการคายประจุ 14 นาทีต่อมา ระบบ UPS จะเริ่มการชาร์จที่เท่ากันโดยอัตโนมัติเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ให้เต็มอีกครั้ง เนื่องจากแบตเตอรี่มีการใช้งานเป็นเวลา 4 ปี ความสามารถในการกักเก็บประจุภายในจึงลดลง ส่งผลให้กระแสประจุแบบลอยตัวเกิน 1A ทำให้เกิดเกณฑ์การชาร์จที่เท่ากัน 1A ที่ตั้งไว้ในระบบ UPS (ค่าเริ่มต้นสำหรับรุ่นนี้คือ 3~5A กระแสไฟลอยตัวเพื่อกระตุ้นการชาร์จที่เท่ากัน แต่ด้วยเหตุผลบางประการ เจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุงได้แก้ไขค่านี้เป็น 1A) ส่งผลให้ระบบ UPS เริ่มต้นการชาร์จแบบเท่ากันซ้ำหลายครั้ง จนกระทั่งวงจรเปิดของแบตเตอรี่ภายในหยุดทำงานในที่สุด (มิฉะนั้น ระบบ UPS จะทำการชาร์จแบบเท่ากันซ้ำอย่างต่อเนื่อง ซึ่งอาจส่งผลให้กลุ่มแบตเตอรี่ลุกไหม้ได้) ในระหว่างช่วงเวลานี้ แบตเตอรี่จะผ่านรอบการชาร์จที่เท่ากันอย่างต่อเนื่องสี่รอบในระยะเวลา 48 ชั่วโมง (แต่ละรอบจะหยุดชั่วคราวเพียง 1 นาทีทุกๆ 12 ชั่วโมงก่อนที่จะกลับมาชาร์จอีกครั้งโดยเท่าเทียมกัน) หลังจากการชาร์จที่เท่ากันเป็นเวลานานดังกล่าว ในที่สุดแบตเตอรี่ก็นูนขึ้นมา และแม้แต่วาล์วระบายอากาศก็เปลี่ยนรูปไป

4. บทสรุป

จากการสังเกตและการวิเคราะห์ข้างต้น สาเหตุของความล้มเหลวของแบตเตอรี่ในระบบ UPS นี้มีดังนี้:

• สาเหตุโดยตรงคือการตั้งค่าพารามิเตอร์การชาร์จของระบบ UPS ที่ไม่เหมาะสม ซึ่งทำให้การชาร์จเท่ากันอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 48 ชั่วโมง โดยมีช่วงเวลาเพียง 1 นาทีระหว่างแต่ละรอบ แม้แต่แบตเตอรี่ใหม่ก็ไม่สามารถทนทานต่อการชาร์จที่เท่ากันเป็นเวลานานและเข้มข้นเช่นนี้ได้ ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของแบตเตอรี่โป่งในกรณีนี้

• โมเดลระบบ UPS เป็นการออกแบบเบื้องต้นที่มีข้อจำกัดด้านการทำงาน UPS รุ่นเก่านี้ (ออกแบบเมื่อ 20 ปีที่แล้ว) ขาดการตั้งค่า ' เวลาป้องกันช่วงเวลาการชาร์จที่เท่ากัน' (โดยทั่วไปยี่ห้ออื่นจะตั้งค่าช่วงเวลานี้เป็น 7 วัน) ส่งผลให้มีรอบการชาร์จที่เท่ากันหลายรอบอย่างต่อเนื่อง

• ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลงเนื่องจากอายุ (อายุการใช้งาน 4 ปี) โดยมีความสามารถในการคายประจุลดลงและการเก็บประจุไม่ดี ก่อนวันที่ 6 มิถุนายน เกณฑ์ปัจจุบันของการแปลงที่เท่ากันเป็นการชาร์จแบบลอยตัวถูกตั้งไว้ต่ำเกินสมควร (เพียง 1A สำหรับแบตเตอรี่ 100Ah) ค่าเริ่มต้นของระบบ UPS คือ 3~5A แต่เจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุงได้ปรับเปลี่ยนค่าให้เป็น 1A อย่างอธิบายไม่ได้

• ระบบ UPS ใช้งานมาเป็นเวลา 14 ปี ซึ่งเกินอายุการเลิกใช้งานไปแล้ว จึงทำให้ข้อผิดพลาดในการวัดไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ ข้อผิดพลาดเหล่านี้อาจทำให้ระบบเริ่มการชาร์จแบบเท่ากันซ้ำๆ ซ้ำๆ เนื่องจากการตรวจจับกระแสไฟไม่ถูกต้อง

• โชคดีที่วงจรเปิดในเซลล์แบตเตอรี่เซลล์ใดเซลล์หนึ่งทำให้ระบบ UPS ไม่สามารถดำเนินการตามรอบการชาร์จที่เท่ากันซ้ำแล้วซ้ำอีกหลังจากการชาร์จที่เท่ากันครั้งที่สี่ เพื่อหลีกเลี่ยงโอกาสที่แบตเตอรี่จะติดไฟ

5. มาตรการแก้ไขสำหรับความล้มเหลว

มาตรการแก้ไขประกอบด้วยสองด้าน:

ขั้นแรก ให้แก้ไขพารามิเตอร์การชาร์จแบตเตอรี่ของ UPS ชั่วคราว:

• ปิดใช้งานการตั้งค่าการชาร์จที่เท่ากันในระบบ UPS

• ปรับกระแสทริกเกอร์เพื่อเปลี่ยนจากการชาร์จแบบลอยเป็นการชาร์จที่เท่ากันเป็น 3A (แม้ว่า 3A จะยังค่อนข้างต่ำ เนื่องจากค่าเริ่มต้นขั้นต่ำคือ 3A แต่ก่อนหน้านี้ตั้งค่าไว้ที่ 1A)

• ปรับเวลาการป้องกันการชาร์จที่เท่ากันเป็น 1 ชั่วโมง (ตั้งไว้ก่อนหน้านี้เป็น 12 ชั่วโมง)

ประการที่สอง สำนักงานสาขาเปลี่ยนแบตเตอรี่ทั้งสองกลุ่มด้วยแบตเตอรี่สำรอง แต่แบตเตอรี่สำรองมีความจุเพียง 50 Ah ดังนั้นจึงสามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ฉุกเฉินชั่วคราวเท่านั้น มีแผนจะถ่ายโอนโหลดจากระบบ UPS ไปยังแหล่งพลังงานอื่นในอนาคต เพื่อแก้ไขปัญหาความปลอดภัยของแหล่งจ่ายไฟอย่างทั่วถึง

ผู้ปฏิบัติงานใช้จ่ายเป็นจำนวนมากทุกปีในบริการบำรุงรักษาระบบ UPS แต่เนื่องจากความประมาทเลินเล่อและความประมาทของเจ้าหน้าที่บำรุงรักษา พวกเขาถึงกับปรับเปลี่ยนค่าเริ่มต้นของระบบ UPS โดยไม่ตั้งใจ ซึ่งไม่น่าเชื่ออย่างแท้จริง ขอแนะนำให้ผู้ผลิต UPS ให้ความสำคัญกับการบำรุงรักษาผลิตภัณฑ์ของตนอย่างจริงจัง และหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดพื้นฐานดังกล่าวในอนาคต ซึ่งเป็นการปรับปรุงคุณภาพของบริการบำรุงรักษา ในขณะเดียวกัน แนะนำว่าผู้ปฏิบัติงานควรให้ความสำคัญกับบริการบำรุงรักษาตามมาที่จัดทำโดยผู้ผลิต UPS อย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้น และสร้างระบบการประเมินผลเพื่อปรับปรุงการทำงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ของระบบ UPS อย่างต่อเนื่อง