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企业数据中心UPS电源中的电容器常出现的问题

企业数据中心UPS电源中的电容器常出现的问题
企业数据中心UPS电源中的电容器常出现的问题
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,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。
 
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,也可以像听装易拉罐一样大——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。
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。
 
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。
 
制造商是否使用专有电容器设计?
  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。
 
电容器是否随时间推移而降级?
  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。
电容器正常运行能够持续多久?
  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,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。
1
设计使用寿命-在设计阶段指定的目标使用寿命。
2
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。
3
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,建议企业数据中心的运营管理人员应该在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,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。
哪些条件会影响电容器使用寿命?
  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:
1
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(Ripplecurrent)就相对无害。
2
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。
3
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405V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。

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