浅论数据中心蓄电池间爆炸性气体环境

近年来，大型数据中心作为新基建项目在国内蓬勃发展。阀控式铅酸蓄电池作为UPS和HVDC（高压直流电源）的主流后备电源在数据中心广泛使用，是数据中心基础设施安全运行的重要保障。根据数据中心规模，阀控式铅酸蓄电池的数量可达几万甚至几十万只。在特殊条件下，阀控式铅酸蓄电池会释放出氢气。由于阀控式铅酸蓄电池数量庞大，蓄电池间是否应按防爆区域进行设计，值得深入探讨。在多个数据中心的基础设施验证测试过程中，笔者发现各设计单位对该问题的处理尺度偏差较大：有的设计单位不做任何防爆设计要求；有的则认为，蓄电池室应安装防爆灯具，不能使用非防爆电器等[1-3]。

在工程实践中，按相关文献规范在蓄电池间内执行防爆设计存在较多困难。因此，本文将依据阀控式铅酸蓄电池的工作原理和特性、爆炸性气体环境划分的基本方法、数据中心电池间电气设备现状，结合现行国内相关防爆设计规范对该问题进行分析探讨。

1 阀控式铅酸蓄电池释放氢气的基本原理

铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质（二氧化铅，PbO2）和负极的活性物质（海绵状铅，Pb）均变成硫酸铅（PbSO4），充电后又恢复到原来的状态，这就是“双极硫酸盐化理论”[4]。

在充电过程中，充电电流除一部分用于将PbSO?₄转化为PbO?₂外，还有一部分对水进行电解，在正极析出氧气，负极析出氢气。由于氧气和氢气的产生将使电池内部失水而需定期补水，电池难以实现密封。因此，阀控式铅酸蓄电池采用负极板比正极板富余10%～20%容量的设计思路，提高氢气的析出电位，使正极出现氧气先于负极出现氢气。同时采取“贫液”设计，选择高孔隙率AGM隔板吸收电解液，充电时，正极析出的氧通过隔板孔隙传送到负极表面与氢还原为水。该过程确保了阀控式铅酸电池在使用过程中几乎不需要加水。为达到密封的目的，同时保持压力平衡，阀控式铅酸电池在其密封的外壳上设置有可靠开启的安全阀，以减少气体排放和水的损失。当电池内部气压超过预定值时，安全阀自动开启，当气压降低后安全阀自动闭合，防止外部空气进入蓄电池内部。故这一系列结构设计优化，确保了阀控式铅酸电池只在特殊情况下（内部压力过高时）才会向外部释放氢气。

2 爆炸产生的基本原理

爆炸三要素指的是构成爆炸的热量传递、快速和生成气体。对于可燃气体而言，爆炸的三要素分别是一定浓度的可燃气体、一定量的氧气以及热量足够点燃气体的火源。在同时满足爆炸的三个条件时，爆炸就有可能发生；消除上述三个要素中的任意一个，即可有效遏制爆炸事故的发生[5]。这就是所谓的爆炸三角形原理，如图1所示。

图 1  爆炸三角形原理

3 蓄电池间爆炸性气体环境危险区域的划分

依据可燃物质出现的频繁程度及持续时间，可燃物质释放源可划分为连续释放源、一级释放源、二级释放源[6]。当连续或长期释放可燃气体时，可认定为连续释放源；正常情况下，可能偶尔周期性释放可燃性气体时，可认定为一级释放源；正常情况下，不太可能释放可燃性气体，或即使出现也仅是短周期释放时，可认定为二级释放源[6]。由于阀控式铅酸蓄电池正常充放电情况下不会产生氢气，只在严重过充电导致电池内部压力过高时，安全阀打开，才会释放出氢气，故阀控式密封蓄电池可视为二级释放源。

爆炸性气体环境危险区域按具体工况可划分为0区、1区、2区。当存在连续释放源时，可认定为0区；存在一级释放源时，可认定为1区；存在二级释放源时，可认定为2区[6]。故电池间的爆炸性气体环境危险区域可初判为2区。氢气属于易燃易爆的甲类物质，可与空气形成爆炸性气体混合物。氢气爆炸性气体混合物的级别为ⅡC，引燃温度组别为T1，爆炸极限范围为4%～75%，引燃温度约为450℃，闪点为气态，相对密度0.1[6]。

4 防爆电气设备的基本选型原则

按以上分析，如蓄电池间划定为爆炸性气体危险环境2区，则可根据表1和表2选定电池间内防爆电气设备对应的防护等级和温度组别。

比如选用dⅡCT1（d：隔爆型，ⅡCT1：温度组别）类型的设备，可满足在氢气爆炸性危险环境2区的使用要求。

表1 不同保护等级（EPL）下的防爆方法对危险场所的适用性

表2 引燃温度分组

5 项目实施难点和解决问题的方法

主流的数据中心主要有两种蓄电池的布局设计形式：

布局形式1：蓄电池单独布置于电池间内。

布局形式2：蓄电池与UPS、直流开关电源、低压配电柜、变压器等处于同一设备间。

无论何种布局形式，均可按GB 50172—2012《电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范》、DL/T5044—2004《电力工程直流系统设计技术规程》和GB 50059—2011《35kV～110kV变电站设计规范》相关条文要求，在数据中心电池间设置防爆灯具、防爆插座、防爆按钮箱等。但数据中心阀控式铅酸蓄电池对运行环境温度有较严格要求，即环境温度应保持在20～30℃范围，温度过低会降低电池容量，温度过高则影响电池使用寿命。故电池间内必须配置制冷精密空调，而空调设备通常属非防爆设备，或带防爆形式的空调设备造价昂贵。

对于布局形式1，电池间内还安装有相当数量的蓄电池直流开关箱、动力及机房环境采集器机柜、蓄电池巡检仪、风阀执行器及气体泄漏报警探头等非防爆设备，很难找到可替代的防爆产品。

对于布局形式2，除涵盖布局形式1情况外，蓄电池还与变压器、低压配电柜、UPS、直流开关电源等非防爆设备就近布置。暂且假定将电池间划定为爆炸性气体环境危险区域2区，如防爆区内有非防爆设备（此时爆炸性物质、助燃剂和点火源三要素均存在），根据爆炸三角形理论，有发生可燃气体爆炸的风险。故当防爆设备和非防爆设备共存于某一独立的爆炸性环境空间时，该防爆设计起不到任何作用。

此外，根据GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》相关要求，防爆设计不仅对电气设备有严格要求，还对与之配套的建筑防爆整体布局、设备布局和电气线路设计等有较高要求，这将会增加项目的整体造价，并增大运维管理的实施难度。故应采取更有效的措施以平衡防爆设计与客观现状的矛盾，既要安全合规，又要降低项目实施难度，减少项目造价。

5.1 通过强制机械通风稀释爆炸性混合气体的浓度 

根据爆炸三角形原理，消除任意一个爆炸要素即可抑制爆炸的发生，而氧气是难以控制的，故控制爆炸性物质和点火源为两个最常用的防爆手段。控制爆炸性物质往往比控制点火源容易，最常见的方法是保持良好通风。

将一个区域划分为0区、1区、2区或是非划分区域，一定程度上取决于该区域的通风情况[7]。释放到大气中的气体会因为向空气发散而被稀释，直至其浓度低于爆炸极限的下限。通风即空气运动，能使释放源附近一个（假定的）容积内的气体同新鲜空气发生置换[7]，它将对扩散起到促进作用。适当的通风同样可以避免爆炸性气体环境的维持，从而影响区域划分的类型。当可燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限值的10%时，可视为非爆炸性气体环境区域[6]。

解决问题的关键转向如何保持良好的通风条件，这无疑给工程设计、审图和实施带来了极大的便利，也大大降低了项目的实施难度和成本。

5.2 实现良好充分通风的方法

需要注意的是，由于氢气密度较低，析出的气体将汇集于天花板附近区域，应确保这些区域的良好通风，维持室内的非爆炸性气体环境。足以防止爆炸性混合气体以高于其燃耗（爆炸）极限25%的浓度积累的通风量即可认为通风良好[6]。可通过自然通风，也可通过机械方式实现良好通风；当设置备用的独立机械通风系统时，封闭建筑内可认为通风良好而不考虑机械通风故障的情况[6]。

故在良好通风条件下，数据中心电池间内所有电气设备和设施均可按非防爆区域工况进行设计。

 5.3 安装氢气探测报警装置控制通风系统

由于阀控式密封铅酸蓄电池产生氢气属特殊情况，且电池间有维持制冷温度的要求，从节能和经济运行的角度，通风系统在爆炸性气体的浓度达到报警装置的设定值时开启即可，无须长时间运行。

应在氢气可能聚集的天花板高度附近安装若干氢气探测报警装置。当氢气浓度达到报警设定值时，探测装置发出报警，并联动通风装置启动，向外界排出可燃气体，以维持室内的非爆炸性气体环境。

6 国内现行不同规范对防爆区域认定的差异对比

GB 50172—2012《电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范》、DL/T 5044—2004《电力工程直流系统设计技术规程》和GB 50059—2011《35kV～110kV变电站设计规范》的相关条文均对电池间设计和安装提出了明确的电气防爆要求，但未给出明确的解释说明。

根据表1和表2可知，不同爆炸环境区域对设备的爆炸防护等级（EPL）要求不一样，视不同情况选择合适的防爆等级设备方能满足要求。而上述规范仅笼统地提出安装防爆设备的宽泛要求，并未给出具体执行的方法，难免令人产生困惑。笔者猜想，上述规范对电池间的防爆要求可能延续了对老式开口铅酸蓄电池（在充电后期不断释放出氢气）间的防爆要求；而阀控式铅酸蓄电池在结构设计上已实现大幅减少氢气排放，安全性明显提高。故有关规范的条文是否应做适当调整，值得斟酌和探讨。

而GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》和SY/T6671—2006《石油设施电气设备安装区域一级、0区、1区和2区区域划分推荐作法》则参照引用了API500、IEC79和NFPA70等国际权威机构的相关防爆理论和研究成果，给出了一套根据不同工况划分爆炸区域的方法、防爆区域升级和降级的措施，给相关项目管理及技术人员带来了较大便利性，更具严谨性、可操作性、权威性和说服力。

7 结束语 

本文介绍了阀控式铅酸蓄电池在特殊情况下“析氢”的基本原理及爆炸形成的三要素，分析了形成氢气爆炸性气体危险环境的可能性，探讨了电池间按非防爆区设计的方法，并对国家现行不同规范对爆炸危险区域划分的规定和方法差异给出了初步的建议。

参考文献：

[1] 电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范：GB 50172—2012[S].

[2] 电力工程直流系统设计技术规程：DL/T 5044—2004[S].

[3] 35kV～110kV变电站设计规范：GB 50059—2011[S].

[4] 陈汉武，谢远锋.铅酸蓄电池发展综述[J].中小企业管理与科技，2019（11）：138-139.

[5] 崔克清.安全工程大辞典[M].北京：化学工业出版社，1995.

[6] 爆炸危险环境电力装置设计规范：GB 50058—2014[S].

[7] 石油设施电气设备安装区域一级、0区、1区和2区区域划分推荐作法：SY/T 6671—2006[S].

文章来源：数据中心 基础设施运营管理；作者：赵世锋