01.08.2020
Отказоустойчивость машинного зала принято описывать через схему резервирования: N+1, 2N, 2(N+1). Эти обозначения точно описывают топологию, но ничего не говорят о том, отработает ли система в момент аварии. Практика эксплуатации показывает устойчивую закономерность: отказы систем бесперебойного питания в подавляющем большинстве случаев происходят не в силовой электронике, а в батарейной части, причём обнаруживаются они именно тогда, когда автономия потребовалась.
Причина этого смещения понятна из логики работы систем. Силовая электроника ИБП находится под нагрузкой постоянно, её состояние наблюдаемо, и деградация проявляется в измеряемых параметрах. Батарея, напротив, в нормальном режиме не работает — она находится в режиме поддерживающего заряда и остаётся полностью пассивной месяцами. Её реальное состояние проверяется только разрядом, а разряд под нагрузкой — операция, которую эксплуатирующие организации проводят неохотно.
Что происходит с батареей между проверками
Свинцово-кислотная батарея типа VRLA деградирует по нескольким независимым механизмам.
Коррозия положительных решёток — процесс, скорость которого экспоненциально зависит от температуры. Отсюда эмпирическое правило, вытекающее из уравнения Аррениуса: превышение рекомендованной температуры эксплуатации (20–25 °C) на каждые 10 °C сокращает срок службы примерно вдвое. Батарея с проектным сроком 10 лет при постоянной температуре 35 °C отработает около 2,5 лет.
Высыхание электролита — потеря воды через клапан при перезаряде. Прямое следствие некорректно выставленного напряжения поддерживающего заряда или отсутствия температурной компенсации.
Сульфатация — образование трудновосстановимых кристаллов сульфата свинца при длительном нахождении в частично разряженном состоянии.
Расхождение элементов в цепочке. Батареи соединены последовательно, и ток через все элементы одинаков, а внутреннее сопротивление — нет. Элемент с повышенным сопротивлением сильнее нагревается, что ускоряет его деградацию, и расхождение нарастает. Ёмкость всей цепочки определяется худшим элементом.
Почему проверка по напряжению не работает
Наиболее распространённая ошибка эксплуатации — оценка состояния батареи по напряжению на шине постоянного тока. В режиме поддерживающего заряда напряжение цепочки почти не зависит от её остаточной ёмкости: батарея, потерявшая половину ёмкости, показывает практически те же вольты, что и новая.
Стандарты обслуживания — IEEE 1188 для VRLA и IEEE 450 для батарей с жидким электролитом — предполагают периодические измерения внутреннего сопротивления или проводимости отдельных элементов и контрольные разряды. Именно внутреннее сопротивление, а не напряжение, коррелирует с остаточной ёмкостью и позволяет выявить деградирующий элемент до отказа.
Что это означает для проектирования
Из перечисленного следуют четыре практических требования к системе бесперебойного питания.
Температурный режим батарейной зоны должен обеспечиваться так же, как режим машинного зала. Размещение батарей в неохлаждаемом техническом помещении обесценивает выбор элементов с большим сроком службы.
Батарейная система должна быть организована группами, локализующими замену. При последовательной цепочке из десятков элементов замена одного деградировавшего элемента новым создаёт расхождение по параметрам с остальными и ускоряет деградацию всей группы.
Необходим поэлементный или погрупповой мониторинг с измерением параметров, отражающих реальное состояние, а не только напряжение шины.
Резервирование по мощности не заменяет контроль батареи. Схема N+1 защищает от отказа силового модуля, но не от того, что батарейная линейка не выдаст расчётное время.
