Analyse de la panne de batterie UPS dans un centre de données Internet

La puissance du site de télécommunications est considérée comme le sang d'un réseau de télécommunications, tandis que la batterie est considérée comme son réservoir de sang, garantissant le bon fonctionnement du réseau. Cependant, l’entretien des batteries a toujours été un défi. Alors que les fabricants baissent continuellement leurs prix après un approvisionnement centralisé, la qualité des batteries a considérablement diminué. Chaque année, plus de 70 % des pannes des systèmes électriques de télécommunications sont attribuées à des problèmes de batterie, ce qui fait de la maintenance des batteries un véritable casse-tête pour le personnel de maintenance. Cet article propose une analyse des principales causes de panne de batterie, qui peut servir de référence utile à d’autres.

1. Aperçu de l'équipement électrique sur site

L'équipement électrique sur site se compose de deux unités UPS de 40 kVA d'une marque internationale bien connue. Les batteries ont été installées en 2016. Vous trouverez ci-dessous des informations détaillées :

Informations UPS	Informations sur la batterie
Marque et modèle : marque internationale UPS UL33	Marque et modèle : 12 V 100 Ah.
Configuration : 40 kVA, 2 unités dans un système parallèle, chacune avec une charge d'environ 5 kW	Nombre de batteries : 30 cellules par groupe, 2 groupes, totalisant 60 cellules
Date de mise en service : 2006 (10 ans de service)	Date de mise en service : 2016 (5 ans de service)

Le 6 juin, le fabricant de l'onduleur a effectué une maintenance de routine, remplaçant les condensateurs AC et DC (5 ans de service) ainsi que les ventilateurs. Lors du test de décharge de la batterie (20 minutes), il a été constaté que les performances de décharge de la batterie étaient médiocres. Le courant de décharge était de 16 A et après 10 minutes de décharge, la tension de plusieurs cellules est tombée à 11,6 V, mais aucun gonflement des batteries n'a été observé.

Il a été constaté que les deux groupes de batteries UPS présentaient des problèmes de gonflement lors de l'inspection. À l’aide d’un multimètre, ils ont mesuré la tension d’ondulation de charge de la batterie (mesurée à l’aide du réglage CA), qui atteignait 7 V (dépassant de loin la norme de maintenance). En conséquence, ils ont d'abord soupçonné que les condensateurs du filtre CC remplacés par les ingénieurs du fabricant de l'onduleur étaient défectueux, provoquant une ondulation de tension excessive sur le bus CC de l'onduleur, entraînant un gonflement de la batterie.

2. Situation de défaillance sur site

Le 22 juillet, l'équipe de l'Institut de recherche a procédé à une inspection de sécurité dans une succursale. Ils ont découvert que les batteries des systèmes UPS situés au 5ème étage d'un immeuble étaient fortement bombées. En cas de panne de courant sur le réseau, on craignait que les batteries ne se déchargent pas correctement, ce qui pourrait conduire à un accident. En conséquence, ils ont immédiatement recommandé que le personnel de maintenance de la succursale contacte les ingénieurs du fabricant pour organiser une enquête conjointe sur place et une séance de dépannage avec les trois parties l'après-midi suivant.

Renflement des piles 12 V

Dans l'après-midi du 23 juillet, les trois parties sont arrivées sur place. Après inspection, il a été constaté que les deux unités UPS fonctionnaient normalement, avec une tension flottante d'environ 404 V pour les batteries (conforme aux paramètres définis). Les ingénieurs du fabricant ont utilisé un multimètre Fluke 287C (haute précision) pour mesurer la tension d'ondulation de charge de la batterie, qui était d'environ 0,439 V. Une pince multimètre Fluke 376 (précision inférieure) mesurait environ 0,4 V. Les résultats des deux instruments étaient similaires et se situaient dans la plage de tension d'ondulation typique de l'équipement (généralement moins de 1 % de la tension du bus). Cela indiquait que les condensateurs CC remplacés étaient conformes et fonctionnaient normalement. Par conséquent, la théorie précédemment suspectée selon laquelle le remplacement du condensateur provoquait une tension d’ondulation excessive et un gonflement de la batterie a été exclue.

Multimètre : 0,439 V

Pince multimètre : environ 0,4 V

Un examen des enregistrements historiques du système UPS a montré que, le 6 juin, les deux unités UPS avaient subi un test de décharge de batterie de 15 minutes. Après avoir rétabli l'interrupteur principal, une charge égalisée de 6 minutes a été effectuée, suivie d'un test de décharge de la batterie de 14 minutes par les ingénieurs du fabricant. Après le test, le système UPS a automatiquement lancé quatre charges consécutives égalisées de 12 heures, chaque phase étant séparée par un intervalle d'une minute, se terminant à 5 h 32 le 9 juin. Depuis lors, les batteries sont restées en mode de charge d'entretien.

Un examen plus approfondi des paramètres d'origine de la batterie de l'onduleur a révélé ce qui suit :

• La durée de vie de la batterie a été fixée à 48 mois (4 ans), bien que la durée de vie réelle d'une batterie 12 V devrait être de 5 ans.

• La charge égalisée a été définie sur « activée ».

• La limite du courant de charge a été fixée à 10A.

• Le déclencheur pour passer à la charge égalisée a été réglé sur 1 A (le système passerait automatiquement en charge égalisée si le courant de charge d'entretien dépassait 1 A, même si la valeur par défaut de ce modèle est de 0,03 C10 ~ 0,05 C10, ce qui signifie que la charge égalisée est déclenchée lorsque le courant de charge d'entretien atteint 3-5 A. Cependant, pour des raisons inconnues, le personnel de maintenance du fabricant avait ajusté cette valeur à 0,01 C10, ce qui signifie qu'une charge égalisée serait déclenché lorsque le courant de charge d'entretien atteint 1A).

• Le temps de protection de charge égalisée a été fixé à 720 minutes (la charge égalisée s'arrêterait automatiquement après 12 heures).

3. Analyse des causes de défaillance

Sur la base des circonstances ci-dessus, le processus de défaillance peut être analysé comme suit :

• Les deux groupes de batteries de ce système UPS étaient utilisés depuis 4 ans (la durée de vie des batteries 12 V est de 5 ans) et la capacité de la batterie avait considérablement diminué. Cependant, avant la panne, l’aspect extérieur de la batterie était normal, sans aucun signe de renflement. Un examen plus approfondi des enregistrements historiques de l'UPS du 30 janvier 2019 (les enregistrements antérieurs à cette date ont été effacés) au 6 juin 2020 a montré que le système UPS avait effectué 12 charges égalisées, la durée la plus longue n'excédant pas 15 minutes. Cela indique que la durée de charge égalisée définie dans le système UPS avant la maintenance était relativement courte, seulement 15 minutes, et que la charge égalisée à court terme du système UPS ne provoquera pas de gonflement des batteries.

• Après maintenance et remplacement des condensateurs, le système UPS a été redémarré. La logique de contrôle a identifié la batterie comme nouvellement connectée, elle a donc lancé une charge égalisée de 6 minutes, puis est passée à une charge d'entretien. Cependant, après un test de décharge ultérieur de 14 minutes, le système UPS a automatiquement démarré une charge égalisée pour recharger complètement les batteries. En raison de l'utilisation des batteries pendant 4 ans, leur capacité de rétention de charge interne s'est détériorée, provoquant un courant de charge d'entretien supérieur à 1 A, déclenchant le seuil de charge égalisé de 1 A défini dans le système UPS (la valeur par défaut pour ce modèle est un courant de charge d'entretien de 3 à 5 A pour déclencher une charge égalisée, mais pour une raison quelconque, le personnel de maintenance a modifié cette valeur à 1 A). Cela a amené le système UPS à lancer à plusieurs reprises la charge égalisée jusqu'à ce qu'un circuit ouvert de la batterie interne l'arrête finalement (sinon, le système UPS aurait continué la charge égalisée répétée, ce qui aurait pu conduire à un incendie du groupe de batteries). Pendant cette période, les batteries ont subi quatre cycles de charge égalisée continue sur 48 heures (chaque cycle s'est arrêté pendant seulement 1 minute toutes les 12 heures avant de reprendre la charge égalisée). Après une charge égalisée aussi prolongée, les batteries ont fini par se gonfler et même les valves de ventilation se sont déformées.

4. Conclusion

Sur la base des observations et analyses ci-dessus, les causes de la panne de batterie dans ce système UPS sont les suivantes :

• La cause directe était le mauvais réglage des paramètres de charge du système UPS, qui a conduit à une charge continue et égalisée pendant 48 heures avec des intervalles d'une minute seulement entre chaque cycle. Même les batteries neuves ne résisteraient pas à une charge égalisée aussi longue et intense, ce qui entraînerait dans ce cas une défaillance du gonflement de la batterie.

• Le modèle de système UPS est une première conception avec des limitations fonctionnelles. Cet ancien modèle d'onduleur (conçu il y a 20 ans) ne disposait pas du paramètre « durée de protection de l'intervalle de charge égalisé » (d'autres marques fixent généralement cet intervalle à 7 jours), ce qui entraîne de multiples cycles de charge égalisés continus.

• Les performances des batteries s'étaient dégradées en raison de leur âge (4 ans d'utilisation), avec une capacité de décharge réduite et une mauvaise rétention de charge. Avant le 6 juin, le seuil de courant de conversion égalisé en charge flottante était fixé à un niveau déraisonnablement bas (seulement 1 A pour les batteries de 100 Ah). La valeur par défaut du système UPS est de 3 à 5 A, mais le personnel de maintenance l'a inexplicablement modifiée à 1 A.

• Le système UPS était en service depuis 14 ans, bien au-delà de son âge de mise hors service, ce qui rendait les erreurs de mesure inévitables. Ces erreurs peuvent avoir amené le système à lancer à plusieurs reprises une charge égalisée en raison d'une détection de courant inexacte.

• Heureusement, un circuit ouvert dans l'une des cellules de la batterie a empêché le système UPS de poursuivre les cycles répétés de charge égalisée après la quatrième charge égalisée, évitant ainsi le risque que les batteries prennent feu.

5. Mesures correctives en cas de panne

Les mesures correctives comprennent deux aspects :

Tout d'abord, modifiez temporairement les paramètres de charge de la batterie de l'onduleur :

• Désactivez le paramètre de charge égalisée dans le système UPS.

• Ajustez le courant de déclenchement pour passer de la charge flottante à la charge égalisée à 3 A (bien que 3 A soit encore un peu faible, car le minimum par défaut est de 3 A, mais il était auparavant réglé sur 1 A).

• Réglez le temps de protection de charge égalisé à 1 heure (précédemment réglé à 12 heures).

Deuxièmement, la succursale a remplacé les deux groupes de batteries par des batteries de secours, mais celles-ci n'ont qu'une capacité de 50 Ah et ne peuvent donc être utilisées qu'à des fins d'urgence temporaires. Il est prévu de transférer la charge du système UPS vers d'autres sources d'alimentation à l'avenir, afin de résoudre complètement les problèmes de sécurité de l'alimentation électrique.

L'opérateur dépense chaque année des sommes considérables en services de maintenance du système UPS, mais en raison de la négligence et de l'imprudence du personnel de maintenance, il a même modifié par erreur les valeurs par défaut du système UPS, ce qui est vraiment incroyable. Il est recommandé au fabricant d'onduleurs de prendre au sérieux la maintenance de ses produits et d'éviter de commettre de telles erreurs fondamentales à l'avenir, améliorant ainsi la qualité de ses services de maintenance. Parallèlement, il est suggéré que l'opérateur accorde également une plus grande attention aux services de maintenance ultérieurs fournis par le fabricant de l'onduleur et établisse un système d'évaluation pour améliorer continuellement le fonctionnement sûr et fiable du système UPS.