企业数据中心运营管理人员们需要主动的关注在他们的日常运维中不起眼的、经常被忽视的UPS设备架构中的一大元素——电容器。从而可以有助于扩展用于保护数据中心关键电子系统的UPS系统的价值。在本文中,我们将就企业最终用户在其数据中心的日常运维中经常遇到的问题进行解答。

数据中心的电容器其实是相当简单的设备,其规格从顶针到听装苏打水罐大小不等,可帮助消除电压的波动。典型的UPS包含十几种或更多种不同类型和规格尺寸的电容器:小型的电容器可平滑供应给UPS处理器的电源(机载智能),而大型的电容器则主要用于调节流向受保护的设备的电源。

像电池一样,电容器会随着时间的推移而降级。一款典型的电容器可能会被制造商评定为能够维持大约七年的时间保持全天候二十四小时的持续使用。但是,在有利的操作条件下,其可以提供长达10年的正常使用寿命。

当电容器发生故障失败时,您数据中心的运营管理人员们可能看不到任何可见的影响,但其他电容器将不得不承担其工作负载,这会缩短其使用寿命。在很多情况下,电容器故障会触发UPS切换到旁路模式,在此期间,其不能保护下游的工作负载。

为了最大限度地提高UPS的性能和可靠性,请将电容器视为易腐商品,并计划在其额定使用寿命结束时或接近其寿命末期及时更换电容器。相关服务供应商的客户服务工程师们可以帮助企业数据中心的运营管理人员们诊断UPS中电容器的状况,并在必要时提供全面或部分更换电容器组,以保持UPS性能达到工厂规格。主动关注这种经常被忽视的UPS架构元素:不起眼的电容器,可以扩展用于保护关键电子系统的UPS系统的价值。

  1、什么是电容器?

电容器是一款相当简单的电子设备,可以存储和释放电能。这些设备可以像顶针一样小,也可以像听装苏打水罐一样大——取决于其预计消化的电压量(即:它们的额定容量)。

电容器通常包裹在铝或镀铬的圆柱体中,包含一对导电表面(通常是金属板或电极),它们被称为电介质的第三元件隔开并绝缘。

为什么这很重要?除了铝板的表面积之外,介电层的厚度决定了整个电容——也就是说,该电容器具体可以存储或管理多少电荷。超薄氧化层具有显着的绝缘特性,这使得制造非常小的电容器来处理非常高的工作负载成为了可能。

  2、交流和直流电容器分别能够做些什么?

直流电容器在UPS应用中的主要用途是平滑电压波动——这个过程也被称为“电源电压滤波”。如果输入的电压发生变化,电容会减小电压变化,消除峰值并填充峰谷,进而帮助保持恒定的电压水平。

交流电容器与直流电容器具有很多相同的特性,因为它们具有可预期的有限服务期限,故而应该被视为易腐商品。交流电容器主要存在于UPS的输入和输出滤波器部分。它们消除了输入瞬态并减少UPS输入端的谐波失真,更重要的是:它们直接连接到关键工作负载的输出端,并有助于控制UPS输出电压的波形形状。

  3、典型的UPS设备中有多少电容器?

UPS内部的电容器的具体库存数量会根据所要完成的工作(即设备的kVA额定值)的不同而变化很大。从这个角度来看,典型的个人电脑包含了大约50个电容器;而一款750千伏安三相的UPS设备则可能有数百个电容器。即使是最小的UPS设备,也需要使用数十个电容器。

 4、制造商们是否使用了专有电容器设计?

当前市场上的电容器产品是由各种供应商根据行业的统一标准制造的。而有可能的情况是:无论您企业是在哪里采购的UPS设备,其都包含了来自同一家主要的国内或全球供应商的电容器产品。

  5、在正常使用情况下,电容器是否会随时间的推移而降级?

的确,就像电池一样,在正常设计和制造时,湿的电容器在正常额定电压下工作时,其基本特性会随着时间的推移而发生非常缓慢的变化。但是,电容器内部的纸张、铝箔和电解液则发生的是正常的故障。随着这些材料逐渐老化,并开始其物理和化学的降解,它们会失去电容。最终,电容器将无法再执行其工作。而不利的操作条件,如过大的电流和热量可能会加速电容器的损耗。

图1、有明显可见证据的故障失效电容器。请注意:电容器也可能会在没有任何明显的迹象的情况下,出现故障失效。

  6、电容器的正常运行通常能够持续多久?

电容器的理论运行寿命是由额定电压、施加电压、通过电容器的电流、环境温度和热阻一系列因素根据相应的数学函数所计算得出的。实际上,您企业数据中心可以根据制造商的额定寿命和设备的工作温度估算预期的使用寿命。工作温度越高,寿命越短。

图2、显示设计寿命和平均寿命的曲线

●设计使用寿命- 在设计阶段指定的目标使用寿命。

●有效的使用寿命- 电容器超过婴儿死亡期并进入自发故障期的时间段。在此阶段,发生故障失败的次数少于指定值。

●平均使用寿命- 在特定的操作环境温度下,UPS应用程序中电容器的平均使用寿命。

在超出了制造商所制定的额定使用寿命后的任何时候,发生故障肯定都是可能的。而随着电容器的逐渐老化,发生故障的可能性会进一步的增加。

根据制造商所制定的额定使用寿命,我们建议企业数据中心的运营管理人员应该在您的UPS设备运行满7年后,安排对于相应的UPS的主动力系统所使用的电容器实施完整的更换。但是,较新的UPS通常具有充油直流电容器,该电容器在UPS的整个使用寿命过程中都是额定的。

当电容器发生故障时,您可能看不到任何可见的影响,但其他电容器将不得不承担其工作负载,这反过来会缩短其他剩余电容器的使用寿命。在很多情况下,电容器故障会触发UPS切换到旁路模式,在此期间,其不能保护下游工作负载。

电容器类型

额定使用寿命

DC直流电容器(电解)

同UPS的使用寿命

DC直流电容器(充油)

7年

AC交流电容器(充油)

7年

图3、AC电容器和DC电容器的估计使用寿命

  7、哪些条件会影响电容器的使用寿命?

由于电容器的使用寿命是由额定电压和操作温度基于函数计算得出的,因此通过超出其任一区域的设计阈值来缩短电容器的使用寿命是合乎逻辑的。例如:

●电流过大 - 如果电容器经常接触超载电流条件,例如稳定电流超过制造商的额定值,则可能会损坏电容器。只要电容器不必过热以补偿,短时间的过度纹波电流(Ripple current)就相对无害。

●过度工作 - 如果电容器必须过滤不寻常的电压噪声或频繁的瞬变(正弦波中出现的尖锐的短暂中断),则电容器发生故障失效的频率会更高。就像在肮脏的环境中工作的空气过滤器一样,其操作的环境越糟糕,就越早将不得不需要将其替换。

●过量的热量 - 无论是从电容器内部(例如由于空气过滤器堵塞,而导致的气流不畅或由于操作环境温度引起的过热),多余的热量最终会开始蒸发电容器内部的溶液,并形成不安全的压力,进而可能导致其发生故障失败。

例如,在405 V电压和20摄氏度的操作环境条件下,一款电容器的理论使用寿命为32年。如果你企业数据中心将工作负载增加到540伏,热量增加两倍,则该电容器可能只能维持八年左右的使用寿命。

好消息是:借助良好的管理,例如:在干净,凉爽的数据中心操作环境中以额定容量运行,可以有助于UPS设备减轻这些风险因素。

  8、当发生故障时,电容器究竟发生了什么?

电容器可能会在“开启”的状态下发生故障 - 只需停止执行预定的工作即可。发生这种故障失败很安静,可以忽略不计。或者电容器可能会在发生“短路”的状态下出现故障 - 发生电介质泄漏,甚至会发出听起来像爆竹爆炸般的声音。

当然,电解质是导电的,因此溢出的电解质可能会造成无意的连接,从而可能因此而破坏UPS设备的性能。电解液同时也具有其腐蚀性,这可能与设备内部的其他部件发生相互作用。基于这些原因,许多电解电容器的一端都有一个刻痕,其被设计成可以轻易的破裂和泄漏,而不是让容器突然放气,并将电解质散布在很宽的区域。

  9、电容器发生故障时,UPS设备的功能会发生什么变化?

这取决于电容器所被安置的位置,串联(串联)或并联工作的电容器的数量,以执行相同的任务,以及其他电容器的整体运行状况。例如,如果电容器在远低于它们的额定电压的电压条件下运作良好,则其中的一款或两款电容器可能容易接管出现故障的电容器,而不会显着影响UPS的运行。

动力传动系中发生故障的一款电容器可能会降低设备的整体滤波能力,但不会导致设备无法正常工作。

但是,当动力传动系中的一款电容器发生故障时,一款典型的三相UPS设备会转换到旁路模式,从而使电源绕过UPS设备的滤波电子设备。在这段时间内,UPS虽然在运行,但实际上并未保护下游设备。

在极少数的情况下,一款故障的电容器可能会中断电源(逻辑处理器),但领先的UPS设计能够确保在这类极少数的情况下执行安全有序的关机。无论单个组件是否执行的是关键任务,对于整个架构而言,在电子设备内部发生组件短路都并不是一件好事。

  10、如果UPS继续工作,为什么企业数据中心的运营管理人员应该担心更换电容器的事宜呢?

当单个电容器发生故障时,这通常表明其他电容器也没有完成其工作。您企业数据中心可能会看到明显的一个或两个电容器发生分裂或泄漏的迹象,但可见的检测不会发现其他电容器在“开启”的状态下出现故障,并且可能实际上还导致了其他的故障。如果不加以控制的话,这种情况可能会引发更多电容器发生故障,并最终导致UPS设备出现性能下降。

电容器更换绝对属于预防性维护的范畴。当相应的监测报告显示性能出现下降时,该过程本身就将自行延续,并且其更换成本将远远高于在早期被识别和更换报废电容器的成本。

  11、企业数据中心运营管理人员们能做些什么工作来帮助延长电容器的使用寿命呢?

在您数据中心运营管理人员们的控制下,可能最大的因素是保持推荐的操作环境温度、湿度和清洁度。保持空气过滤器的清洁,确保空气可以自由流动,以保持装置的冷却。当更换旧设备上的电容器时,请勿安装低于原始部件额定电压的电容器。

良好的数据中心管理可以成为延长设备寿命的有力助推器。我们推荐使用完整的电力电容器替代品,以主动确保UPS设备的可靠性,避免灾难性故障的发生,并降低发生计划外停机中断的风险。

  结论

为了最大限度地提高企业数据中心UPS设备的性能和可靠性,请将电容器视为易腐的商品,并计划在其额定使用寿命结束时或接近其寿命末期安排对其进行及时的更换。谨慎选择已经经过UPS设备制造商认证的第三方服务机构的技术人员来帮助您数据中心更换电容器。

如果制造公司负责设计和制造您数据中心所采购的UPS设备,那么他们的技术人员或专家会比其他人更了解这些设备。这些技术人员应接受过专业的培训,获得相关的认证,并可能访问专有诊断软件和最新的工程更新,并能够获得该UPS设备制造商的一级技术支持(包括所有文档,工程数据和图纸,技术数据和更新)。您数据中心可以放心,只有具有适当规格和最新固件或修订版的工厂授权部件才会安装到您的UPS设备中,而不是未知质量或规格的配件。

总之,企业数据中心的运营管理人员们主动关注这种经常被忽视的UPS架构元素:简单的电容器,可以增强您企业对于依赖其以保护贵公司关键电子系统的UPS系统的信心。

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