淺談企業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS設(shè)備中的電容器
來(lái)源：未知 發(fā)布時(shí)間：2018-05-13 19:02 點(diǎn)擊：
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企業(yè)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)管理人員們需要主動(dòng)的關(guān)注在他們的日常運(yùn)維中不起眼的、經(jīng)常被忽視的UPS設(shè)備架構(gòu)中的一大元素——電容器。從而可以有助于擴(kuò)展用于保護(hù)數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵電子系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)的價(jià)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(yùn)維中經(jīng)常遇到的問(wèn)題進(jìn)行解答。
數(shù)據(jù)中心的電容器其實(shí)是相當(dāng)簡(jiǎn)單的設(shè)備，其規(guī)格從頂針到聽(tīng)裝蘇打水罐大小不等，可幫助消除電壓的波動(dòng)。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(yīng)給UPS處理器的電源(機(jī)載智能)，而大型的電容器則主要用于調(diào)節(jié)流向受保護(hù)的設(shè)備的電源。
像電池一樣，電容器會(huì)隨著時(shí)間的推移而降級(jí)。一款典型的電容器可能會(huì)被制造商評(píng)定為能夠維持大約七年的時(shí)間保持全天候二十四小時(shí)的持續(xù)使用。但是，在有利的操作條件下，其可以提供長(zhǎng)達(dá)10年的正常使用壽命。
當(dāng)電容器發(fā)生故障失敗時(shí)，您數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)管理人員們可能看不到任何可見(jiàn)的影響，但其他電容器將不得不承擔(dān)其工作負(fù)載，這會(huì)縮短其使用壽命。在很多情況下，電容器故障會(huì)觸發(fā)UPS切換到旁路模式，在此期間，其不能保護(hù)下游的工作負(fù)載。
為了最大限度地提高UPS的性能和可靠性，請(qǐng)將電容器視為易腐商品，并計(jì)劃在其額定使用壽命結(jié)束時(shí)或接近其壽命末期及時(shí)更換電容器。相關(guān)服務(wù)供應(yīng)商的客戶服務(wù)工程師們可以幫助企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)管理人員們?cè)\斷UPS中電容器的狀況，并在必要時(shí)提供全面或部分更換電容器組，以保持UPS性能達(dá)到工廠規(guī)格。主動(dòng)關(guān)注這種經(jīng)常被忽視的UPS架構(gòu)元素：不起眼的電容器，可以擴(kuò)展用于保護(hù)關(guān)鍵電子系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)的價(jià)值。
1、什么是電容器?
電容器是一款相當(dāng)簡(jiǎn)單的電子設(shè)備，可以存儲(chǔ)和釋放電能。這些設(shè)備可以像頂針一樣小，也可以像聽(tīng)裝蘇打水罐一樣大——取決于其預(yù)計(jì)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(duì)導(dǎo)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(kāi)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(gè)電容——也就是說(shuō)，該電容器具體可以存儲(chǔ)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(lái)處理非常高的工作負(fù)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(yīng)用中的主要用途是平滑電壓波動(dòng)——這個(gè)過(guò)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(huì)減小電壓變化，消除峰值并填充峰谷，進(jìn)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?yàn)樗鼈兙哂锌深A(yù)期的有限服務(wù)期限，故而應(yīng)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(guān)鍵工作負(fù)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(shè)備中有多少電容器?
UPS內(nèi)部的電容器的具體庫(kù)存數(shù)量會(huì)根據(jù)所要完成的工作(即設(shè)備的kVA額定值)的不同而變化很大。從這個(gè)角度來(lái)看，典型的個(gè)人電腦包含了大約50個(gè)電容器;而一款750千伏安三相的UPS設(shè)備則可能有數(shù)百個(gè)電容器。即使是最小的UPS設(shè)備，也需要使用數(shù)十個(gè)電容器。
4、制造商們是否使用了專有電容器設(shè)計(jì)?
當(dāng)前市場(chǎng)上的電容器產(chǎn)品是由各種供應(yīng)商根據(jù)行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制造的。而有可能的情況是：無(wú)論您企業(yè)是在哪里采購(gòu)的UPS設(shè)備，其都包含了來(lái)自同一家主要的國(guó)內(nèi)或全球供應(yīng)商的電容器產(chǎn)品。
5、在正常使用情況下，電容器是否會(huì)隨時(shí)間的推移而降級(jí)?
的確，就像電池一樣，在正常設(shè)計(jì)和制造時(shí)，濕的電容器在正常額定電壓下工作時(shí)，其基本特性會(huì)隨著時(shí)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(kāi)始其物理和化學(xué)的降解，它們會(huì)失去電容。最終，電容器將無(wú)法再執(zhí)行其工作。而不利的操作條件，如過(guò)大的電流和熱量可能會(huì)加速電容器的損耗。
圖1、有明顯可見(jiàn)證據(jù)的故障失效電容器。請(qǐng)注意：電容器也可能會(huì)在沒(méi)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(yùn)行通常能夠持續(xù)多久?
電容器的理論運(yùn)行壽命是由額定電壓、施加電壓、通過(guò)電容器的電流、環(huán)境溫度和熱阻一系列因素根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)所計(jì)算得出的。實(shí)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(shè)備的工作溫度估算預(yù)期的使用壽命。工作溫度越高，壽命越短。
圖2、顯示設(shè)計(jì)壽命和平均壽命的曲線
●設(shè)計(jì)使用壽命- 在設(shè)計(jì)階段指定的目標(biāo)使用壽命。
●有效的使用壽命- 電容器超過(guò)嬰兒死亡期并進(jìn)入自發(fā)故障期的時(shí)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(yīng)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(shí)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(huì)進(jìn)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(yùn)營(yíng)管理人員應(yīng)該在您的UPS設(shè)備運(yùn)行滿7年后，安排對(duì)于相應(yīng)的UPS的主動(dòng)力系統(tǒng)所使用的電容器實(shí)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(gè)使用壽命過(guò)程中都是額定的。
當(dāng)電容器發(fā)生故障時(shí)，您可能看不到任何可見(jiàn)的影響，但其他電容器將不得不承擔(dān)其工作負(fù)載，這反過(guò)來(lái)會(huì)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(huì)觸發(fā)UPS切換到旁路模式，在此期間，其不能保護(hù)下游工作負(fù)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(jì)使用壽命
7、哪些條件會(huì)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(jì)算得出的，因此通過(guò)超出其任一區(qū)域的設(shè)計(jì)閾值來(lái)縮短電容器的使用壽命是合乎邏輯的。例如：
●電流過(guò)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(guò)制造商的額定值，則可能會(huì)損壞電容器。只要電容器不必過(guò)熱以補(bǔ)償，短時(shí)間的過(guò)度紋波電流(Ripple current)就相對(duì)無(wú)害。
●過(guò)度工作 - 如果電容器必須過(guò)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(huì)更高。就像在骯臟的環(huán)境中工作的空氣過(guò)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(guò)量的熱量 - 無(wú)論是從電容器內(nèi)部(例如由于空氣過(guò)濾器堵塞，而導(dǎo)致的氣流不暢或由于操作環(huán)境溫度引起的過(guò)熱)，多余的熱量最終會(huì)開(kāi)始蒸發(fā)電容器內(nèi)部的溶液，并形成不安全的壓力，進(jìn)而可能導(dǎo)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(fù)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(yùn)行，可以有助于UPS設(shè)備減輕這些風(fēng)險(xiǎn)因素。
8、當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，電容器究竟發(fā)生了什么?
電容器可能會(huì)在“開(kāi)啟”的狀態(tài)下發(fā)生故障 - 只需停止執(zhí)行預(yù)定的工作即可。發(fā)生這種故障失敗很安靜，可以忽略不計(jì)�；蛘唠娙萜骺赡軙�(huì)在發(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?xí)l(fā)出聽(tīng)起來(lái)像爆竹爆炸般的聲音。
當(dāng)然，電解質(zhì)是導(dǎo)電的，因此溢出的電解質(zhì)可能會(huì)造成無(wú)意的連接，從而可能因此而破壞UPS設(shè)備的性能。電解液同時(shí)也具有其腐蝕性，這可能與設(shè)備內(nèi)部的其他部件發(fā)生相互作用�；谶@些原因，許多電解電容器的一端都有一個(gè)刻痕，其被設(shè)計(jì)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(shí)，UPS設(shè)備的功能會(huì)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(wù)，以及其他電容器的整體運(yùn)行狀況。例如，如果電容器在遠(yuǎn)低于它們的額定電壓的電壓條件下運(yùn)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(huì)顯著影響UPS的運(yùn)行。
動(dòng)力傳動(dòng)系中發(fā)生故障的一款電容器可能會(huì)降低設(shè)備的整體濾波能力，但不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作。
但是，當(dāng)動(dòng)力傳動(dòng)系中的一款電容器發(fā)生故障時(shí)，一款典型的三相UPS設(shè)備會(huì)轉(zhuǎn)換到旁路模式，從而使電源繞過(guò)UPS設(shè)備的濾波電子設(shè)備。在這段時(shí)間內(nèi)，UPS雖然在運(yùn)行，但實(shí)際上并未保護(hù)下游設(shè)備。
在極少數(shù)的情況下，一款故障的電容器可能會(huì)中斷電源(邏輯處理器)，但領(lǐng)先的UPS設(shè)計(jì)能夠確保在這類極少數(shù)的情況下執(zhí)行安全有序的關(guān)機(jī)。無(wú)論單個(gè)組件是否執(zhí)行的是關(guān)鍵任務(wù)，對(duì)于整個(gè)架構(gòu)而言，在電子設(shè)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(yùn)營(yíng)管理人員應(yīng)該擔(dān)心更換電容器的事宜呢?
當(dāng)單個(gè)電容器發(fā)生故障時(shí)，這通常表明其他電容器也沒(méi)有完成其工作。您企業(yè)數(shù)據(jù)中心可能會(huì)看到明顯的一個(gè)或兩個(gè)電容器發(fā)生分裂或泄漏的跡象，但可見(jiàn)的檢測(cè)不會(huì)發(fā)現(xiàn)其他電容器在“開(kāi)啟”的狀態(tài)下出現(xiàn)故障，并且可能實(shí)際上還導(dǎo)致了其他的故障。如果不加以控制的話，這種情況可能會(huì)引發(fā)更多電容器發(fā)生故障，并最終導(dǎo)致UPS設(shè)備出現(xiàn)性能下降。
電容器更換絕對(duì)屬于預(yù)防性維護(hù)的范疇。當(dāng)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示性能出現(xiàn)下降時(shí)，該過(guò)程本身就將自行延續(xù)，并且其更換成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在早期被識(shí)別和更換報(bào)廢電容器的成本。
11、企業(yè)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)管理人員們能做些什么工作來(lái)幫助延長(zhǎng)電容器的使用壽命呢?
在您數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)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(guò)濾器的清潔，確�？諝饪梢宰杂闪鲃�(dòng)，以保持裝置的冷卻。當(dāng)更換舊設(shè)備上的電容器時(shí)，請(qǐng)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(zhǎng)設(shè)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(dòng)確保UPS設(shè)備的可靠性，避免災(zāi)難性故障的發(fā)生，并降低發(fā)生計(jì)劃外停機(jī)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。
結(jié)論
為了最大限度地提高企業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS設(shè)備的性能和可靠性，請(qǐng)將電容器視為易腐的商品，并計(jì)劃在其額定使用壽命結(jié)束時(shí)或接近其壽命末期安排對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的更換。謹(jǐn)慎選擇已經(jīng)經(jīng)過(guò)UPS設(shè)備制造商認(rèn)證的第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)的技術(shù)人員來(lái)幫助您數(shù)據(jù)中心更換電容器。
如果制造公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造您數(shù)據(jù)中心所采購(gòu)的UPS設(shè)備，那么他們的技術(shù)人員或?qū)＜視?huì)比其他人更了解這些設(shè)備。這些技術(shù)人員應(yīng)接受過(guò)專業(yè)的培訓(xùn)，獲得相關(guān)的認(rèn)證，并可能訪問(wèn)專有診斷軟件和最新的工程更新，并能夠獲得該UPS設(shè)備制造商的一級(jí)技術(shù)支持(包括所有文檔，工程數(shù)據(jù)和圖紙，技術(shù)數(shù)據(jù)和更新)。您數(shù)據(jù)中心可以放心，只有具有適當(dāng)規(guī)格和最新固件或修訂版的工廠授權(quán)部件才會(huì)安裝到您的UPS設(shè)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(yùn)營(yíng)管理人員們主動(dòng)關(guān)注這種經(jīng)常被忽視的UPS架構(gòu)元素：簡(jiǎn)單的電容器，可以增強(qiáng)您企業(yè)對(duì)于依賴其以保護(hù)貴公司關(guān)鍵電子系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)的信心。
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數(shù)據(jù)中心(990)UPS設(shè)備(2)電容器(1)
