關于數據中心電池間是否需要按防爆要求設計的若干探討

上海華東電腦股份有限公司 上海 200237

前言

閥控式鉛酸蓄電池（VRLA 電池）作為備用電源在數據中心廣泛使用，而蓄電池室的安全是數據中心安全運行的重要部分。閥控式鉛酸蓄電池在使用過程中會析出少量的氫氣，如果析出的氫氣量可能達到爆炸濃度極限，應將蓄電池室劃分為爆炸危險區域，需采用防爆電器，避免普通電器內部可能產生的電弧、火花和高溫引起氫氣爆炸；如果氫氣量不可能達到爆炸濃度極限，卻把蓄電池室劃分為爆炸危險區域，并采用防爆電器，勢必造成建設投資增加、維護成本增大，在數據中心的建設和運營過程中帶來資源浪費。

1 《爆炸危險環境電力裝置設計規范》GB 50058-2014 相關規定

1.1 相關條文

危險區域劃分：首先按可燃物質的釋放頻繁程度和持續時間長短分級，分為：

（1）連續級釋放源

（2）一級釋放源

（3）二級釋放源二級釋放源：在正常運行時，預計不可能釋放，當出現釋放時，僅是偶爾或短期釋放的釋放源。

再根據釋放源的級別和通風條件劃分區域。

根據爆炸性氣體混合物出現的頻繁程度和持續時間把危險區域分為：

0區：連續出現或長期出線爆炸性氣體混合物的環境；

1區：在正常運行時可能出現爆炸性氣體混合物環境的環境。

2區：在正常運行時不太可能出現爆炸性氣體混合物的環境，或即使出現也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環境。

在爆炸氣體環境中發生爆炸應符合的條件是：

（1）存在可燃氣體、可燃液體的蒸氣或薄霧，濃度在爆炸極限以內；

（2）存在足以點燃爆炸性氣體混合物的火花、電弧或高溫。

符合下列條件之一時，可劃為非爆炸危險區域：

可燃物質可能出現的最高濃度不超過爆炸下限值的10%。

發生爆炸的前提條件是濃度在爆炸極限以內。將最高濃度控制在不超過爆炸下限值的10%，可視為無爆炸危險；將最高濃度控制在不超過爆炸下限值的25%，可定為通風良好，可降低爆炸危險區域等級。

當爆炸危險區域內通風的空氣流量能使可燃物質很快稀釋到爆炸下限值的25%以下時，可定為通風良好。并應符合下列規定：

下列場所可定為通風良好場所：

（1）露天場所；

（2）敞開式建筑物。在建筑物的壁、屋頂開口，其尺寸和位置保證建筑物內部通風效果等效于露天場所；

（3）非敞開建筑物，建有永久性的開口，使其具有自然通風的條件；

（4）對于封閉區域，每平方米地板面積每分鐘至少提供0.3m3的空氣或至少1h 換氣6 次，則可認為是良好通風場所。這種通風速率可由自然通風或機械通風來實現。

附錄B的B.0.1中第23款

蓄電池危險等級劃分：

（1）蓄電池應屬于ⅡC級的分類；

（2）當所有的蓄電池都能直接或者間接地向封閉區域的外部排氣，該區域可劃為非危險區域考慮。

（3）當配有蓄電池、通風較差的封閉區域具備至少能保證該區域的通風情況不低于滿足通風情況不低于滿足通風良好條件的25%及蓄電池的充電系統有防止過充電的設計時，可劃為2區；當不滿足此條件是，可劃為1區[1]。

附錄C：氫氣爆炸性混合物的分級、分組參數：

（1）級別是 ⅡC

（2）引燃溫度組別 T1

（3）引燃溫度 500℃

（4）閃點為氣態

（5）爆炸極限下限為 4%

（6）爆炸極限上限為 75%

（7）相對密度 0.1

（8）在滿足爆炸的條件時會發生爆炸。

氫氣的爆炸極限下限為4%。將最高濃度控制在不超過爆炸下限值的10%，即0.4%，可視為無爆炸危險；將最高濃度控制在不超過爆炸下限值的25%，即1%，可劃為2區。

1.2 小結

蓄電池房間的危險區域劃分如下：

2 閥控式密封鉛酸蓄電池特點及運行規律

2.1 閥控式密封鉛酸蓄電池特點

（1）采用多元優質合金板柵，提高氣體釋放的過電位(由2.30V至2.35V)，相對減少氣體釋放量。

（2）負極比正極多出10%容量，充電后期正極釋放的氧氣與負極復合，發生反應，重新生成水，即O2+2Pb→2PbO+2H2SO4→2H2O+2PbSO4，使負極由于氧氣的作用處于欠充電狀態，因而不產生氫氣。

（3）正負極間采用超細玻璃纖維隔板，利于氧氣迅速流通到負極，再化合成水。

（4）采用密封式閥控濾酸結構，酸霧無法逸出。

2.2 閥控式密封鉛酸電池不逸出氣體的狀態和條件

（1）開路存放期間。

（2）充電電壓在2.35V/單體以下（25攝氏度）。

（3）放電期間。

只有當充電電壓超過2.35V/單體時才有可能使氣體逸出，原因是電池內短時間產生的大量氣體來不及被負極吸收（復合），超壓后安全閥排氣。

2.3 閥控式密封鉛酸電池氫氣逸出量計算

以下圖為例，該電池布置方案在數據中心應用中基本屬于最大密度。4組蓄電池架布置在電池間內，每組蓄電池架均放置230AH電池44節×4層，12V電池節數為：4×4×44=704節。按2V單體電池的總AH為：6×704×230=971520AH。

設房間層高為3.8m，則該房間體積為：

扣除蓄電池占用空間1.3×5.7×1.6×4=47.42m3，房間內空氣體積為：300.66-47.42=253.23m3。

圖1 電池布置方案圖

按照蓄電池生產商(以上海西恩迪蓄電池有限公司生產的蓄電池為例)提供的資料，一般情況下，當單體電池充電電壓為2.4V時，每個2V單體氫氣的產生量為0.035ml/Ah/Hr。則本電池間在此極端情況下，每小時產生的氫氣為0.035×971520/1000000=0.034 m3。

如下表可見：電池逸出氫氣到達爆炸下限4%濃度需要297小時，達到為非危險區域標準即下限濃度的10%需要29小時，到達通風良好即下限濃度的25%需要74小時。

2.4 閥控式密封鉛酸電池運行狀態

（1）浮充電狀態。

（2）放電狀態。

（3）充電狀態。

數據中心UPS后備電池長期運行狀態為浮充電狀態，充電電壓和電流均較低，單體電池的浮充電壓為2.20～2.27V，浮充電流為1～3mA/Ah，不會產生氣體逸出。

（1）當交流電源中斷，UPS電池逆變為負載供電，放電過程中也不會產生氣體逸出。

（2）電池長期處于浮充電狀態2～3個月未放電的情況下，為保持電池的活性，需要進行一次放電，在放電過程中也不會產生氣體逸出。

（3）電池放電后，需要進行6～12小時的充電，蓄電池均衡充電單體電壓為2.30～2.40V，在此過程中充電電壓大于2.35V等因素部分電池會產生氣體逸出[2]。

電池只有在充電時會產生氣體逸出，充電時間即產生氣體逸出的時間是可控的，產生的時間長度（充電時間長度）也是可控的。逸出氣體是緩慢的，沒有突發性，安全性很高。

3 電池間暖通設計

《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012建筑物全面排風系統吸風口的布置，應符合下列規定：

（1）位于房間上部區域的吸風口，除用于排除氫氣與空氣混合物時，吸風口上緣至頂棚平面或屋頂的距離不大于0.4m；

（2）用于排除氫氣與空氣混合物時，吸風口上緣至頂棚平面或屋頂的距離不大于0.1m；

（3）用于排出密度大于空氣的有害氣體時，位于房間下部區域的排風口，其下緣至地板距離不大于0.3m。

《爆炸危險環境電力裝置設計規范》GB50058-2014當爆炸危險區域內通風的空氣流量能使可燃物質很快稀釋到爆炸下限值的25%以下時，可定為通風良好。并應符合下列規定：

下列場所可定為通風良好場所：對于封閉區域、每平方米地板面積每分鐘至少提供0.3m3的空氣或至少1h 換氣6 次，則可認為是良好通風場所。這種通風速率可由自然通風或機械通風來實現。

《通用用電設備配電設計規范》GB 50055-2011中6.0.8-3充電間應通風良好，當自然通風不能滿足要求時，應采用機械通風，每小時通風換氣次數不應少于8次。

良好通風條件：根據規范要求，要達到良好通風條件每小時通風換氣次數不應少于6次/8次。

根據上文氫氣逸出量的計算，要達到爆炸下限的10%，蓄電池需要持續充電時間29小時以上。通常蓄電池的單次充電時間為8小時，所以要想達到非危險區域的標準是很容易實現的。

規范對通風換氣次數的要求在數據中心的使用環境下是不合理的。

《電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗收規范》GB50172-2012中規定：蓄電池室應采用防爆型燈具、通風電機，室內照明線應采用穿管暗敷，室內不得裝設開關和插座。

綜上按非危險區域設計：

（1）通風機采用防爆型；非危險區域是否必須為防爆型？

（2）吸風口上緣至頂棚平面或屋頂的距離不大于0.1m；

（3）通風換氣次數按每小時小于8次設計？值得商榷。

4 電池間電氣設計

《電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗收規范》GB50172-2012蓄電池室應采用防爆型燈具、通風電機，室內照明線應采用穿管暗敷，室內不得裝設開關和插座。

綜上按非危險區域設計：

采用防爆型燈具，室內照明線應采用穿管暗敷，室內不得裝設開關和插座；非危險區域是否必須采取防爆措施？

（1）實際運行的大量數據中心中，蓄電池和UPS及開關柜放置在一個房間內的案例很多，其UPS及開關柜等均未按防爆型產品，也能保證長期安全可靠運行。

（2）僅對照明和通風電機進行防爆設計，不對其他電氣設備（配電箱、開關箱、空調等）和布線系統進行防爆設計難以達到防爆設計目的。

5 結束語

隨著電池技術的進步，閥控式密封鉛酸蓄電池運行過程中氫氣等有害氣體的逸出量已經很少，而規范規定相對保守給合理設計帶來困難。按規范要求運行將造成能耗損失，增加運維成本。在運維過程中應結合UPS充放電情況及環境合理調整策略，在保證安全的情況下可降低運維成本。