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大功率UPS中电容维护解决方案
作者:云易维  更新时间:2020-11-01

      全世界的高品质电容制造商都会提供电容使用寿命评估,但寿命评估最多只是一个指导原则。由于数据缺乏足够的准确度,在使用数量庞大的电容中,无法用于预知第一个电容会在什么时候出现失效。针对某一具体故障率,电容失效模式确实存在并且会有一个失效时间,但此数据含有巨大的偏差,而且难以令人信任。
     因此,定期更换电容,是保证电容维持一个非常高的 MTBF(平均故障间隔时间)的唯一方法。本篇文章主要探讨电容失效原因及危害性,电容失效率特征,以及高性价比的电容更换解决方案。
     需要说明的是,电容并非 UPS 系统中唯一会老化的器件,也不是导致 UPS 系统宕机或转旁路的唯一原因,北京云易维公司对UPS系统维护有着完整的解决方案,希望通过我们的服务能够使用户设备保持正常运行,永不间断。
 

一、UPS中的大功率电容器的作用
       在线式 UPS 系统包含五个主要部分,如下图所示:
       1.输入交流滤波器,位于输入端,用于交流信号滤波;
       2.整流器,用于将输入交流变换为直流;
       3.直流母线,包括大容量电池组和直流母线电容,用于直流滤波以及维持母线电压稳定;
       4.逆变器,用于将直流母线电压逆变成交流输出;
       5.输出交流滤波器,位于输出端,用于交流信号滤波;
 

       可见,在UPS 系统中电容的作用非常的关键,如果没有电容的滤波或滤波性能下降,将导致输出的电能质量变差,UPS故障率升高,无法达到数据中心所需要的高可靠供电系统的要求。


二、电容器老化过程、危害及原因分析
        安装和使用在UPS中的电容器不是一成不变的电气元件,随着时间推移,内部反应和漏电流会导致介质耐压降低(增加电容失效可能性)。随着反应的进行,电容容值会缓慢降低,电容等效电阻会缓慢的增加(所有电容内部都有一个等效的串联电阻),最终导致电容老化失效。
电容器的失效特性可以用”浴缸曲线”来描述:

       a. 早期失效期
           早期失效阶段是由于在设计、结构、制造工艺中存在缺陷或由于严重的使用不当而造成产品失效的阶段。这种失效在元件通电后不久就会被发现。
这种高失效率一般已经在工厂老化测试阶段避免,在现场使用的情况下不会发生。

       b.使用寿命期
         这是一个随机的失效阶段,通常该阶段的失效概率很低。这种失效与工作环境有关,与工作时间关系不大。在此阶段,电容器表现为容量缓慢下降,损耗和ESR(等效串联电阻)逐渐上升,这是由于电解液里逐渐减少引起的,很少会出现致命性的失效。
UPS系统常见的表现为,对于直流电容老化,将会出现滤波效果下降,纹波电流增大,逆变器容易出现故障,导致UPS切换到旁路工作,负载不受保护;对于交流滤波电容,如果出现电容老化的现象,将会导致输出谐波增加,用户关键设施由于供电质量的下降,出现重启的现象。


       c. 耗损失效期
          该阶段,元件的性能急剧恶化,失效率随时间而上升。电容器在此阶段结束其使用寿命。
​         系统常见的表现为,电容完全失效击穿,出现短路情况,在很短的时间内出现大量能量释放(装在同一个大组件中的所有电容会将它们的能量全都释放灌入失效电容中),此时并不一定能将失效电容从电路中脱离,而是有可能损坏整个 UPS 系统,甚至出现火灾。
 
      造成电容老化的主要原因主要来自两个方面:
      第一个是化学反应,热和化学杂质的组合会导致介质材料(包括聚合物膜及氧化铝层)的绝缘恶化,这将降低局部小区域范围内的耐压能力,由此增加了介质材料不能耐受使用规格电压的可能性。这些化学反应中,氧化物,水分,湿气,卤素的影响仅仅是少数的几个例子。

      第二种机制与漏电流有关。介质材料通常被认为是绝缘体,当电压加在绝缘体时,是不导电的。但实际上,所有绝缘材料当施加电压时,都会有非常微小的电流通过,这种传导电流通常被称为漏电流。这种电流量级非常小(典型值在每 cm2 百万分之一安培),尽管如此,它仍会在非常微小的通道里流动并且会导致局部热量升高和材料电子活跃度的增加。


三、电容器寿命评判标准
       电容器老化过程可以看成是水坝在缓慢的漏水。随着时间推移,很小的漏水也会逐渐增加,水流运动穿过水坝,会导致水坝内部结构恶化。尽管泄露比率在增加,但仍是很小,水坝也还能维持蓄水功能。随着水流继续泄露,水坝结构受到损坏,当足够的损坏发生时,短期内出现故障的可能性变得很高,水坝就需要进行维修。
       在电容老化过程中,漏电流和化学反应都会导致容值下降和等效串联电阻增加,这两者与电容内部损伤的发生是相伴随的。电容一旦持续发生足够的损伤,故障可能性将增加,当这种可能性非常高时,电容就应该拿出来进行维修。
      目前的电容行业,有行业指导定义了电容使用寿命,主要是基于容值降低和/或等效串联电阻增加来考虑,典型值如下表所示,超过指导值时电容寿命终止。电容寿命终止时仍然可以使用,就像水坝仍可以蓄水,但此时电容短路失效的可能性很高,必须拿出来进行维修。请注意,我们也看到许多电容超过了使用寿命正在使用,但这时候系统故障的风险性非常大,随时有电容失效导致系统宕机的可能性,对于UPS关键设施保护系统,一旦宕机所造成的经济损失将会是巨大的。


四、北京云易维公司对UPS电容维护中的一些建议
       通过上表,我们可以看到电容的评判标准,但是,在实际使用过程中(特别是UPS系统)却很难操作。那么,如何做才能维护好UPS,避免由于电容失效引起的系统故障?
      北京云易维公司根据多年的维护经验,认为需要从以下几个方面来避免电容失效引起的UPS系统宕机故障:

      1. 专业的UPS年度巡检和日常维护
交直流电容都有气体扩张保护装置(气体随着电容老化而产生),交流电容内部气体扩张很容易能看到。在维护过程中,有经验的现场工程师要对每个电容进行外观检查,温度、容量检查,并形成长期记录已进行比较,当发现电容异常时,工程师会及时将电容移除并更换,不会对UPS造成损伤。
 

      2. 当发现一个电容老化时候,应整组更换电容
同一台 UPS 系统中,电容的老化情况具有累积故障分布规律(电容装在电容组件中,有同样的现场老化工况)。当一个或两个电容寿命终结,电容组件中的其他电容应力将增加,会加速老化。一旦组件中的第一个电容故障,剩余电容故障的可能性就很高。
为保证最大可靠性,北京云易维公司建议一旦发现第一个电容寿命终结,就应该更换电容组件中的所有电容。这可以让电容老化进程重新开始。
 

      3. 建议定期更换电容
  • ​根据通信行业标准YD/T 1970.4-2009通信局(站)电源系统维护技术要求之UPS维护要求,一般建议5年后更换电容。
  
  •  根据UPS厂家要求:建议更换电容在45,000到50,000小时,即在5年后更换电容。
 
      4. 专业的维护公司进行电容更换
         电容的更换涉及到整个UPS系统的安全,因此需要对电容的质量,施工质量以及对UPS内部结构要有全面的了解,才能保证更换后UPS能够正常、长期稳定运行,所以,需要专业的维护公司更换电容才能够保证系统的安全。
 
结论:
       本文简要介绍了大容量交直流电容的老化进程,寿命终止标准以及云易维公司根据多年维护经验给出的建议,呈现了UPS在现场运行工况的使用中会逐渐老化,并且随着时间推移,老化进程会使电容性能慢慢恶化,恶化到最后,UPS 中的电容就需要更换。使用中的电容在它们性能严重恶化之后,会使 UPS 系统面临因为电容短路失效所带来的故障。

       北京云易维公司根据多年的UPS维护经验,总结出了一套具有可实施性的维护方法,对UPS进行全面的维护,保证供电系统的稳定,我们希望通过我们的预防性维护,提高用户供电系统的稳定性,真正起到不间断电源的作用。
 
       如果想了解进一步信息,请访问:www.yunyiwei.com或致电18518293365和工程师沟通。

 

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