淺談企業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS設備中的電容器
來源：未知 發(fā)布時間：2018-05-13 19:02 點擊：
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企業(yè)數(shù)據(jù)中心運營管理人員們需要主動的關注在他們的日常運維中不起眼的、經(jīng)常被忽視的UPS設備架構中的一大元素——電容器。從而可以有助于擴展用于保護數(shù)據(jù)中心關鍵電子系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)的價值。在本文中，我們將就企業(yè)最終用戶在其數(shù)據(jù)中心的日常運維中經(jīng)常遇到的問題進行解答。
數(shù)據(jù)中心的電容器其實是相當簡單的設備，其規(guī)格從頂針到聽裝蘇打水罐大小不等，可幫助消除電壓的波動。典型的UPS包含十幾種或更多種不同類型和規(guī)格尺寸的電容器：小型的電容器可平滑供應給UPS處理器的電源(機載智能)，而大型的電容器則主要用于調(diào)節(jié)流向受保護的設備的電源。
像電池一樣，電容器會隨著時間的推移而降級。一款典型的電容器可能會被制造商評定為能夠維持大約七年的時間保持全天候二十四小時的持續(xù)使用。但是，在有利的操作條件下，其可以提供長達10年的正常使用壽命。
當電容器發(fā)生故障失敗時，您數(shù)據(jù)中心的運營管理人員們可能看不到任何可見的影響，但其他電容器將不得不承擔其工作負載，這會縮短其使用壽命。在很多情況下，電容器故障會觸發(fā)UPS切換到旁路模式，在此期間，其不能保護下游的工作負載。
為了最大限度地提高UPS的性能和可靠性，請將電容器視為易腐商品，并計劃在其額定使用壽命結束時或接近其壽命末期及時更換電容器。相關服務供應商的客戶服務工程師們可以幫助企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運營管理人員們診斷UPS中電容器的狀況，并在必要時提供全面或部分更換電容器組，以保持UPS性能達到工廠規(guī)格。主動關注這種經(jīng)常被忽視的UPS架構元素：不起眼的電容器，可以擴展用于保護關鍵電子系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)的價值。
1、什么是電容器?
電容器是一款相當簡單的電子設備，可以存儲和釋放電能。這些設備可以像頂針一樣小，也可以像聽裝蘇打水罐一樣大——取決于其預計消化的電壓量(即：它們的額定容量)。
電容器通常包裹在鋁或鍍鉻的圓柱體中，包含一對導電表面(通常是金屬板或電極)，它們被稱為電介質(zhì)的第三元件隔開并絕緣。
為什么這很重要?除了鋁板的表面積之外，介電層的厚度決定了整個電容——也就是說，該電容器具體可以存儲或管理多少電荷。超薄氧化層具有顯著的絕緣特性，這使得制造非常小的電容器來處理非常高的工作負載成為了可能。
2、交流和直流電容器分別能夠做些什么?
直流電容器在UPS應用中的主要用途是平滑電壓波動——這個過程也被稱為“電源電壓濾波”。如果輸入的電壓發(fā)生變化，電容會減小電壓變化，消除峰值并填充峰谷，進而幫助保持恒定的電壓水平。
交流電容器與直流電容器具有很多相同的特性，因為它們具有可預期的有限服務期限，故而應該被視為易腐商品。交流電容器主要存在于UPS的輸入和輸出濾波器部分。它們消除了輸入瞬態(tài)并減少UPS輸入端的諧波失真，更重要的是：它們直接連接到關鍵工作負載的輸出端，并有助于控制UPS輸出電壓的波形形狀。
3、典型的UPS設備中有多少電容器?
UPS內(nèi)部的電容器的具體庫存數(shù)量會根據(jù)所要完成的工作(即設備的kVA額定值)的不同而變化很大。從這個角度來看，典型的個人電腦包含了大約50個電容器;而一款750千伏安三相的UPS設備則可能有數(shù)百個電容器。即使是最小的UPS設備，也需要使用數(shù)十個電容器。
4、制造商們是否使用了專有電容器設計?
當前市場上的電容器產(chǎn)品是由各種供應商根據(jù)行業(yè)的統(tǒng)一標準制造的。而有可能的情況是：無論您企業(yè)是在哪里采購的UPS設備，其都包含了來自同一家主要的國內(nèi)或全球供應商的電容器產(chǎn)品。
5、在正常使用情況下，電容器是否會隨時間的推移而降級?
的確，就像電池一樣，在正常設計和制造時，濕的電容器在正常額定電壓下工作時，其基本特性會隨著時間的推移而發(fā)生非常緩慢的變化。但是，電容器內(nèi)部的紙張、鋁箔和電解液則發(fā)生的是正常的故障。隨著這些材料逐漸老化，并開始其物理和化學的降解，它們會失去電容。最終，電容器將無法再執(zhí)行其工作。而不利的操作條件，如過大的電流和熱量可能會加速電容器的損耗。
圖1、有明顯可見證據(jù)的故障失效電容器。請注意：電容器也可能會在沒有任何明顯的跡象的情況下，出現(xiàn)故障失效。
6、電容器的正常運行通常能夠持續(xù)多久?
電容器的理論運行壽命是由額定電壓、施加電壓、通過電容器的電流、環(huán)境溫度和熱阻一系列因素根據(jù)相應的數(shù)學函數(shù)所計算得出的。實際上，您企業(yè)數(shù)據(jù)中心可以根據(jù)制造商的額定壽命和設備的工作溫度估算預期的使用壽命。工作溫度越高，壽命越短。
圖2、顯示設計壽命和平均壽命的曲線
●設計使用壽命- 在設計階段指定的目標使用壽命。
●有效的使用壽命- 電容器超過嬰兒死亡期并進入自發(fā)故障期的時間段。在此階段，發(fā)生故障失敗的次數(shù)少于指定值。
●平均使用壽命- 在特定的操作環(huán)境溫度下，UPS應用程序中電容器的平均使用壽命。
在超出了制造商所制定的額定使用壽命后的任何時候，發(fā)生故障肯定都是可能的。而隨著電容器的逐漸老化，發(fā)生故障的可能性會進一步的增加。
根據(jù)制造商所制定的額定使用壽命，我們建議企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運營管理人員應該在您的UPS設備運行滿7年后，安排對于相應的UPS的主動力系統(tǒng)所使用的電容器實施完整的更換。但是，較新的UPS通常具有充油直流電容器，該電容器在UPS的整個使用壽命過程中都是額定的。
當電容器發(fā)生故障時，您可能看不到任何可見的影響，但其他電容器將不得不承擔其工作負載，這反過來會縮短其他剩余電容器的使用壽命。在很多情況下，電容器故障會觸發(fā)UPS切換到旁路模式，在此期間，其不能保護下游工作負載。
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電容器類型 |
額定使用壽命 |
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DC直流電容器（電解） |
同UPS的使用壽命 |
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DC直流電容器（充油） |
7年 |
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AC交流電容器（充油） |
7年 |
圖3、AC電容器和DC電容器的估計使用壽命
7、哪些條件會影響電容器的使用壽命?
由于電容器的使用壽命是由額定電壓和操作溫度基于函數(shù)計算得出的，因此通過超出其任一區(qū)域的設計閾值來縮短電容器的使用壽命是合乎邏輯的。例如：
●電流過大 - 如果電容器經(jīng)常接觸超載電流條件，例如穩(wěn)定電流超過制造商的額定值，則可能會損壞電容器。只要電容器不必過熱以補償，短時間的過度紋波電流(Ripple current)就相對無害。
●過度工作 - 如果電容器必須過濾不尋常的電壓噪聲或頻繁的瞬變(正弦波中出現(xiàn)的尖銳的短暫中斷)，則電容器發(fā)生故障失效的頻率會更高。就像在骯臟的環(huán)境中工作的空氣過濾器一樣，其操作的環(huán)境越糟糕，就越早將不得不需要將其替換。
●過量的熱量 - 無論是從電容器內(nèi)部(例如由于空氣過濾器堵塞，而導致的氣流不暢或由于操作環(huán)境溫度引起的過熱)，多余的熱量最終會開始蒸發(fā)電容器內(nèi)部的溶液，并形成不安全的壓力，進而可能導致其發(fā)生故障失敗。
例如，在405 V電壓和20攝氏度的操作環(huán)境條件下，一款電容器的理論使用壽命為32年。如果你企業(yè)數(shù)據(jù)中心將工作負載增加到540伏，熱量增加兩倍，則該電容器可能只能維持八年左右的使用壽命。
好消息是：借助良好的管理，例如：在干凈，涼爽的數(shù)據(jù)中心操作環(huán)境中以額定容量運行，可以有助于UPS設備減輕這些風險因素。
8、當發(fā)生故障時，電容器究竟發(fā)生了什么?
電容器可能會在“開啟”的狀態(tài)下發(fā)生故障 - 只需停止執(zhí)行預定的工作即可。發(fā)生這種故障失敗很安靜，可以忽略不計�；蛘唠娙萜骺赡軙诎l(fā)生“短路”的狀態(tài)下出現(xiàn)故障 - 發(fā)生電介質(zhì)泄漏，甚至會發(fā)出聽起來像爆竹爆炸般的聲音。
當然，電解質(zhì)是導電的，因此溢出的電解質(zhì)可能會造成無意的連接，從而可能因此而破壞UPS設備的性能。電解液同時也具有其腐蝕性，這可能與設備內(nèi)部的其他部件發(fā)生相互作用。基于這些原因，許多電解電容器的一端都有一個刻痕，其被設計成可以輕易的破裂和泄漏，而不是讓容器突然放氣，并將電解質(zhì)散布在很寬的區(qū)域。
9、電容器發(fā)生故障時，UPS設備的功能會發(fā)生什么變化?
這取決于電容器所被安置的位置，串聯(lián)(串聯(lián))或并聯(lián)工作的電容器的數(shù)量，以執(zhí)行相同的任務，以及其他電容器的整體運行狀況。例如，如果電容器在遠低于它們的額定電壓的電壓條件下運作良好，則其中的一款或兩款電容器可能容易接管出現(xiàn)故障的電容器，而不會顯著影響UPS的運行。
動力傳動系中發(fā)生故障的一款電容器可能會降低設備的整體濾波能力，但不會導致設備無法正常工作。
但是，當動力傳動系中的一款電容器發(fā)生故障時，一款典型的三相UPS設備會轉換到旁路模式，從而使電源繞過UPS設備的濾波電子設備。在這段時間內(nèi)，UPS雖然在運行，但實際上并未保護下游設備。
在極少數(shù)的情況下，一款故障的電容器可能會中斷電源(邏輯處理器)，但領先的UPS設計能夠確保在這類極少數(shù)的情況下執(zhí)行安全有序的關機。無論單個組件是否執(zhí)行的是關鍵任務，對于整個架構而言，在電子設備內(nèi)部發(fā)生組件短路都并不是一件好事。
10、如果UPS繼續(xù)工作，為什么企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運營管理人員應該擔心更換電容器的事宜呢?
當單個電容器發(fā)生故障時，這通常表明其他電容器也沒有完成其工作。您企業(yè)數(shù)據(jù)中心可能會看到明顯的一個或兩個電容器發(fā)生分裂或泄漏的跡象，但可見的檢測不會發(fā)現(xiàn)其他電容器在“開啟”的狀態(tài)下出現(xiàn)故障，并且可能實際上還導致了其他的故障。如果不加以控制的話，這種情況可能會引發(fā)更多電容器發(fā)生故障，并最終導致UPS設備出現(xiàn)性能下降。
電容器更換絕對屬于預防性維護的范疇。當相應的監(jiān)測報告顯示性能出現(xiàn)下降時，該過程本身就將自行延續(xù)，并且其更換成本將遠遠高于在早期被識別和更換報廢電容器的成本。
11、企業(yè)數(shù)據(jù)中心運營管理人員們能做些什么工作來幫助延長電容器的使用壽命呢?
在您數(shù)據(jù)中心運營管理人員們的控制下，可能最大的因素是保持推薦的操作環(huán)境溫度、濕度和清潔度。保持空氣過濾器的清潔，確�？諝饪梢宰杂闪鲃�，以保持裝置的冷卻。當更換舊設備上的電容器時，請勿安裝低于原始部件額定電壓的電容器。
良好的數(shù)據(jù)中心管理可以成為延長設備壽命的有力助推器。我們推薦使用完整的電力電容器替代品，以主動確保UPS設備的可靠性，避免災難性故障的發(fā)生，并降低發(fā)生計劃外停機中斷的風險。
結論
為了最大限度地提高企業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS設備的性能和可靠性，請將電容器視為易腐的商品，并計劃在其額定使用壽命結束時或接近其壽命末期安排對其進行及時的更換。謹慎選擇已經(jīng)經(jīng)過UPS設備制造商認證的第三方服務機構的技術人員來幫助您數(shù)據(jù)中心更換電容器。
如果制造公司負責設計和制造您數(shù)據(jù)中心所采購的UPS設備，那么他們的技術人員或?qū)＜視绕渌烁私膺@些設備。這些技術人員應接受過專業(yè)的培訓，獲得相關的認證，并可能訪問專有診斷軟件和最新的工程更新，并能夠獲得該UPS設備制造商的一級技術支持(包括所有文檔，工程數(shù)據(jù)和圖紙，技術數(shù)據(jù)和更新)。您數(shù)據(jù)中心可以放心，只有具有適當規(guī)格和最新固件或修訂版的工廠授權部件才會安裝到您的UPS設備中，而不是未知質(zhì)量或規(guī)格的配件。
總之，企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運營管理人員們主動關注這種經(jīng)常被忽視的UPS架構元素：簡單的電容器，可以增強您企業(yè)對于依賴其以保護貴公司關鍵電子系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)的信心。
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