淺談數據中心蓄電池間爆炸性氣體環境

趙世鋒

（深圳永泰數能科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

近年來，大型數據中心作為新基建項目在國內蓬勃發展。閥控式鉛酸蓄電池作為UPS和HVDC（高壓直流電源）的主流后備電源在數據中心廣泛使用，是數據中心基礎設施安全運行的重要保障。根據數據中心規模，閥控式鉛酸蓄電池的數量可達幾萬甚至幾十萬只。在特殊條件下，閥控式鉛酸蓄電池會釋放出氫氣。由于閥控式鉛酸蓄電池數量龐大，蓄電池間是否應按防爆區域進行設計，值得深入探討。在多個數據中心的基礎設施驗證測試過程中，筆者發現各設計單位對該問題的處理尺度偏差較大：有的設計單位不做任何防爆設計要求；有的則認為，蓄電池室應安裝防爆燈具，不能使用非防爆電器等[1-3]。在工程實踐中，按相關文獻規范在蓄電池間內執行防爆設計存在較多困難。因此，本文將依據閥控式鉛酸蓄電池的工作原理和特性、爆炸性氣體環境劃分的基本方法、數據中心電池間電氣設備現狀，結合現行國內相關防爆設計規范對該問題進行分析探討。

1 閥控式鉛酸蓄電池釋放氫氣的基本原理

鉛酸蓄電池在放電時，正極的活性物質（二氧化鉛，PbO2）和負極的活性物質（海綿狀鉛，Pb）均變成硫酸鉛（PbSO4），充電后又恢復到原來的狀態，這就是“雙極硫酸鹽化理論”[4]。

在充電過程中，充電電流除一部分用于將PbSO4轉化為PbO2外，還有一部分對水進行電解，在正極析出氧氣，負極析出氫氣。由于氧氣和氫氣的產生將使電池內部失水而需定期補水，電池難以實現密封。因此，閥控式鉛酸蓄電池采用負極板比正極板富余10%～20%容量的設計思路，提高氫氣的析出電位，使正極出現氧氣先于負極出現氫氣。同時采取“貧液”設計，選擇高孔隙率AGM隔板吸收電解液，充電時，正極析出的氧通過隔板孔隙傳送到負極表面與氫還原為水。該過程確保了閥控式鉛酸電池在使用過程中幾乎不需要加水。為達到密封的目的，同時保持壓力平衡，閥控式鉛酸電池在其密封的外殼上設置有可靠開啟的安全閥，以減少氣體排放和水的損失。當電池內部氣壓超過預定值時，安全閥自動開啟，當氣壓降低后安全閥自動閉合，防止外部空氣進入蓄電池內部。故這一系列結構設計優化，確保了閥控式鉛酸電池只在特殊情況下（內部壓力過高時）才會向外部釋放氫氣。

2 爆炸產生的基本原理

爆炸三要素指的是構成爆炸的熱量傳遞、快速和生成氣體。對于可燃氣體而言，爆炸的三要素分別是一定濃度的可燃氣體、一定量的氧氣以及熱量足夠點燃氣體的火源。在同時滿足爆炸的三個條件時，爆炸就有可能發生；消除上述三個要素中的任意一個，即可有效遏制爆炸事故的發生[5]。這就是所謂的爆炸三角形原理，如圖1所示。

圖1 爆炸三角形原理

3 蓄電池間爆炸性氣體環境危險區域的劃分

依據可燃物質出現的頻繁程度及持續時間，可燃物質釋放源可劃分為連續釋放源、一級釋放源、二級釋放源[6]。當連續或長期釋放可燃氣體時，可認定為連續釋放源；正常情況下，可能偶爾周期性釋放可燃性氣體時，可認定為一級釋放源；正常情況下，不太可能釋放可燃性氣體，或即使出現也僅是短周期釋放時，可認定為二級釋放源[6]。由于閥控式鉛酸蓄電池正常充放電情況下不會產生氫氣，只在嚴重過充電導致電池內部壓力過高時，安全閥打開，才會釋放出氫氣，故閥控式密封蓄電池可視為二級釋放源。

爆炸性氣體環境危險區域按具體工況可劃分為0區、1區、2區。當存在連續釋放源時，可認定為0區；存在一級釋放源時，可認定為1區；存在二級釋放源時，可認定為2區[6]。故電池間的爆炸性氣體環境危險區域可初判為2區。氫氣屬于易燃易爆的甲類物質，可與空氣形成爆炸性氣體混合物。氫氣爆炸性氣體混合物的級別為ⅡC，引燃溫度組別為T1，爆炸極限范圍為4%～75%，引燃溫度約為450 ℃，閃點為氣態，相對密度0.1[6]。

4 防爆電氣設備的基本選型原則

按以上分析，如蓄電池間劃定為爆炸性氣體危險環境2區，則可根據表1和表2選定電池間內防爆電氣設備對應的防護等級和溫度組別。

表1 不同保護等級（EPL）下的防爆方法對危險場所的適用性[6]

表2 引燃溫度分組[6]

比如選用d ⅡCT1（d：隔爆型，ⅡCT1：溫度組別）類型的設備，可滿足在氫氣爆炸性危險環境2區的使用要求。

5 項目實施難點和解決問題的方法

主流的數據中心主要有兩種蓄電池的布局設計形式：

布局形式1：蓄電池單獨布置于電池間內。

布局形式2：蓄電池與UPS、直流開關電源、低壓配電柜、變壓器等處于同一設備間。

無論何種布局形式，均可按GB 50172—2012《電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗收規范》、DL/T 5044—2004《電力工程直流系統設計技術規程》和GB 50059—2011《35 kV～110 kV變電站設計規范》相關條文要求，在數據中心電池間設置防爆燈具、防爆插座、防爆按鈕箱等。但數據中心閥控式鉛酸蓄電池對運行環境溫度有較嚴格要求，即環境溫度應保持在20～30 ℃范圍，溫度過低會降低電池容量，溫度過高則影響電池使用壽命。故電池間內必須配置制冷精密空調，而空調設備通常屬非防爆設備，或帶防爆形式的空調設備造價昂貴。

對于布局形式1，電池間內還安裝有相當數量的蓄電池直流開關箱、動力及機房環境采集器機柜、蓄電池巡檢儀、風閥執行器及氣體泄漏報警探頭等非防爆設備，很難找到可替代的防爆產品。

對于布局形式2，除涵蓋布局形式1情況外，蓄電池還與變壓器、低壓配電柜、UPS、直流開關電源等非防爆設備就近布置。

暫且假定將電池間劃定為爆炸性氣體環境危險區域2區，如防爆區內有非防爆設備（此時爆炸性物質、助燃劑和點火源三要素均存在），根據爆炸三角形理論，有發生可燃氣體爆炸的風險。故當防爆設備和非防爆設備共存于某一獨立的爆炸性環境空間時，該防爆設計起不到任何作用。

此外，根據GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》相關要求，防爆設計不僅對電氣設備有嚴格要求，還對與之配套的建筑防爆整體布局、設備布局和電氣線路設計等有較高要求，這將會增加項目的整體造價，并增大運維管理的實施難度。故應采取更有效的措施以平衡防爆設計與客觀現狀的矛盾，既要安全合規，又要降低項目實施難度，減少項目造價。

5.1 通過強制機械通風稀釋爆炸性混合氣體的濃度

根據爆炸三角形原理，消除任意一個爆炸要素即可抑制爆炸的發生，而氧氣是難以控制的，故控制爆炸性物質和點火源為兩個最常用的防爆手段。控制爆炸性物質往往比控制點火源容易，最常見的方法是保持良好通風。

將一個區域劃分為0區、1區、2區或是非劃分區域，一定程度上取決于該區域的通風情況[7]。釋放到大氣中的氣體會因為向空氣發散而被稀釋，直至其濃度低于爆炸極限的下限。通風即空氣運動，能使釋放源附近一個（假定的）容積內的氣體同新鮮空氣發生置換[7]，它將對擴散起到促進作用。適當的通風同樣可以避免爆炸性氣體環境的維持，從而影響區域劃分的類型。當可燃物質可能出現的最高濃度不超過爆炸下限值的10%時，可視為非爆炸性氣體環境區域[6]。

解決問題的關鍵轉向如何保持良好的通風條件，這無疑給工程設計、審圖和實施帶來了極大的便利，也大大降低了項目的實施難度和成本。

5.2 實現良好充分通風的方法

需要注意的是，由于氫氣密度較低，析出的氣體將匯集于天花板附近區域，應確保這些區域的良好通風，維持室內的非爆炸性氣體環境。足以防止爆炸性混合氣體以高于其燃耗（爆炸）極限25%的濃度積累的通風量即可認為通風良好[6]。可通過自然通風，也可通過機械方式實現良好通風；當設置備用的獨立機械通風系統時，封閉建筑內可認為通風良好而不考慮機械通風故障的情況[6]。

故在良好通風條件下，數據中心電池間內所有電氣設備和設施均可按非防爆區域工況進行設計。

5.3 安裝氫氣探測報警裝置控制通風系統

由于閥控式密封鉛酸蓄電池產生氫氣屬特殊情況，且電池間有維持制冷溫度的要求，從節能和經濟運行的角度，通風系統在爆炸性氣體的濃度達到報警裝置的設定值時開啟即可，無須長時間運行。

應在氫氣可能聚集的天花板高度附近安裝若干氫氣探測報警裝置。當氫氣濃度達到報警設定值時，探測裝置發出報警，并聯動通風裝置啟動，向外界排出可燃氣體，以維持室內的非爆炸性氣體環境。

6 國內現行不同規范對防爆區域認定的差異對比

GB 50172—2012《電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗收規范》、DL/T 5044—2004《電力工程直流系統設計技術規程》和GB 50059—2011《35 kV～110 kV變電站設計規范》的相關條文均對電池間設計和安裝提出了明確的電氣防爆要求，但未給出明確的解釋說明。

根據表1和表2可知，不同爆炸環境區域對設備的爆炸防護等級（EPL）要求不一樣，視不同情況選擇合適的防爆等級設備方能滿足要求。而上述規范僅籠統地提出安裝防爆設備的寬泛要求，并未給出具體執行的方法，難免令人產生困惑。筆者猜想，上述規范對電池間的防爆要求可能延續了對老式開口鉛酸蓄電池（在充電后期不斷釋放出氫氣）間的防爆要求；而閥控式鉛酸蓄電池在結構設計上已實現大幅減少氫氣排放，安全性明顯提高。故有關規范的條文是否應做適當調整，值得斟酌和探討。

而GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》和SY/T 6671—2006《石油設施電氣設備安裝區域一級、0區、1區和2區區域劃分推薦作法》則參照引用了API 500、IEC 79和NFPA 70等國際權威機構的相關防爆理論和研究成果，給出了一套根據不同工況劃分爆炸區域的方法、防爆區域升級和降級的措施，給相關項目管理及技術人員帶來了較大便利性，更具嚴謹性、可操作性、權威性和說服力。

7 結束語

本文介紹了閥控式鉛酸蓄電池在特殊情況下“析氫”的基本原理及爆炸形成的三要素，分析了形成氫氣爆炸性氣體危險環境的可能性，探討了電池間按非防爆區設計的方法，并對國家現行不同規范對爆炸危險區域劃分的規定和方法差異給出了初步的建議。