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前言

阀控式铅酸蓄电池（VRLA 电池）作为备用电源在数据中心广泛使用，而蓄电池室的安全是数据中心安全运行的重要部分。阀控式铅酸蓄电池在使用过程中会析出少量的氢气，如果析出的氢气量可能达到爆炸浓度极限，应将蓄电池室划分为爆炸危险区域，需采用防爆电器，避免普通电器内部可能产生的电弧、火花和高温引起氢气爆炸；如果氢气量不可能达到爆炸浓度极限，却把蓄电池室划分为爆炸危险区域，并采用防爆电器，势必造成建设投资增加、维护成本增大，在数据中心的建设和运营过程中带来资源浪费。

1 《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB 50058-2014 相关规定

1.1 相关条文

危险区域划分：首先按可燃物质的释放频繁程度和持续时间长短分级，分为：

（1）连续级释放源

（2）一级释放源

（3）二级释放源二级释放源：在正常运行时，预计不可能释放，当出现释放时，仅是偶尔或短期释放的释放源。

再根据释放源的级别和通风条件划分区域。

根据爆炸性气体混合物出现的频繁程度和持续时间把危险区域分为：

0区：连续出现或长期出线爆炸性气体混合物的环境；

1区：在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物环境的环境。

2区：在正常运行时不太可能出现爆炸性气体混合物的环境，或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混合物的环境。

在爆炸气体环境中发生爆炸应符合的条件是：

（1）存在可燃气体、可燃液体的蒸气或薄雾，浓度在爆炸极限以内；

（2）存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电弧或高温。

符合下列条件之一时，可划为非爆炸危险区域：

可燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限值的10%。

发生爆炸的前提条件是浓度在爆炸极限以内。将最高浓度控制在不超过爆炸下限值的10%，可视为无爆炸危险；将最高浓度控制在不超过爆炸下限值的25%，可定为通风良好，可降低爆炸危险区域等级。

当爆炸危险区域内通风的空气流量能使可燃物质很快稀释到爆炸下限值的25%以下时，可定为通风良好。并应符合下列规定：

下列场所可定为通风良好场所：

（1）露天场所；

（2）敞开式建筑物。在建筑物的壁、屋顶开口，其尺寸和位置保证建筑物内部通风效果等效于露天场所；

（3）非敞开建筑物，建有永久性的开口，使其具有自然通风的条件；

（4）对于封闭区域，每平方米地板面积每分钟至少提供0.3m3的空气或至少1h 换气6 次，则可认为是良好通风场所。这种通风速率可由自然通风或机械通风来实现。

附录B的B.0.1中第23款

蓄电池危险等级划分：

（1）蓄电池应属于ⅡC级的分类；

（2）当所有的蓄电池都能直接或者间接地向封闭区域的外部排气，该区域可划为非危险区域考虑。

（3）当配有蓄电池、通风较差的封闭区域具备至少能保证该区域的通风情况不低于满足通风情况不低于满足通风良好条件的25%及蓄电池的充电系统有防止过充电的设计时，可划为2区；当不满足此条件是，可划为1区[1]。

附录C：氢气爆炸性混合物的分级、分组参数：

（1）级别是 ⅡC

（2）引燃温度组别 T1

（3）引燃温度 500℃

（4）闪点为气态

（5）爆炸极限下限为 4%

（6）爆炸极限上限为 75%

（7）相对密度 0.1

（8）在满足爆炸的条件时会发生爆炸。

氢气的爆炸极限下限为4%。将最高浓度控制在不超过爆炸下限值的10%，即0.4%，可视为无爆炸危险；将最高浓度控制在不超过爆炸下限值的25%，即1%，可划为2区。

1.2 小结

蓄电池房间的危险区域划分如下：

2 阀控式密封铅酸蓄电池特点及运行规律

2.1 阀控式密封铅酸蓄电池特点

（1）采用多元优质合金板栅，提高气体释放的过电位(由2.30V至2.35V)，相对减少气体释放量。

（2）负极比正极多出10%容量，充电后期正极释放的氧气与负极复合，发生反应，重新生成水，即O2+2Pb→2PbO+2H2SO4→2H2O+2PbSO4，使负极由于氧气的作用处于欠充电状态，因而不产生氢气。

（3）正负极间采用超细玻璃纤维隔板，利于氧气迅速流通到负极，再化合成水。

（4）采用密封式阀控滤酸结构，酸雾无法逸出。

2.2 阀控式密封铅酸电池不逸出气体的状态和条件

（1）开路存放期间。

（2）充电电压在2.35V/单体以下（25摄氏度）。

（3）放电期间。

只有当充电电压超过2.35V/单体时才有可能使气体逸出，原因是电池内短时间产生的大量气体来不及被负极吸收（复合），超压后安全阀排气。

2.3 阀控式密封铅酸电池氢气逸出量计算

以下图为例，该电池布置方案在数据中心应用中基本属于最大密度。4组蓄电池架布置在电池间内，每组蓄电池架均放置230AH电池44节×4层，12V电池节数为：4×4×44=704节。按2V单体电池的总AH为：6×704×230=971520AH。

设房间层高为3.8m，则该房间体积为：

扣除蓄电池占用空间1.3×5.7×1.6×4=47.42m3，房间内空气体积为：300.66-47.42=253.23m3。

图1 电池布置方案图

按照蓄电池生产商(以上海西恩迪蓄电池有限公司生产的蓄电池为例)提供的资料，一般情况下，当单体电池充电电压为2.4V时，每个2V单体氢气的产生量为0.035ml/Ah/Hr。则本电池间在此极端情况下，每小时产生的氢气为0.035×971520/1000000=0.034 m3。

如下表可见：电池逸出氢气到达爆炸下限4%浓度需要297小时，达到为非危险区域标准即下限浓度的10%需要29小时，到达通风良好即下限浓度的25%需要74小时。

2.4 阀控式密封铅酸电池运行状态

（1）浮充电状态。

（2）放电状态。

（3）充电状态。

数据中心UPS后备电池长期运行状态为浮充电状态，充电电压和电流均较低，单体电池的浮充电压为2.20～2.27V，浮充电流为1～3mA/Ah，不会产生气体逸出。

（1）当交流电源中断，UPS电池逆变为负载供电，放电过程中也不会产生气体逸出。

（2）电池长期处于浮充电状态2～3个月未放电的情况下，为保持电池的活性，需要进行一次放电，在放电过程中也不会产生气体逸出。

（3）电池放电后，需要进行6～12小时的充电，蓄电池均衡充电单体电压为2.30～2.40V，在此过程中充电电压大于2.35V等因素部分电池会产生气体逸出[2]。

电池只有在充电时会产生气体逸出，充电时间即产生气体逸出的时间是可控的，产生的时间长度（充电时间长度）也是可控的。逸出气体是缓慢的，没有突发性，安全性很高。

3 电池间暖通设计

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012建筑物全面排风系统吸风口的布置，应符合下列规定：

（1）位于房间上部区域的吸风口，除用于排除氢气与空气混合物时，吸风口上缘至顶棚平面或屋顶的距离不大于0.4m；

（2）用于排除氢气与空气混合物时，吸风口上缘至顶棚平面或屋顶的距离不大于0.1m；

（3）用于排出密度大于空气的有害气体时，位于房间下部区域的排风口，其下缘至地板距离不大于0.3m。

《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014当爆炸危险区域内通风的空气流量能使可燃物质很快稀释到爆炸下限值的25%以下时，可定为通风良好。并应符合下列规定：

下列场所可定为通风良好场所：对于封闭区域、每平方米地板面积每分钟至少提供0.3m3的空气或至少1h 换气6 次，则可认为是良好通风场所。这种通风速率可由自然通风或机械通风来实现。

《通用用电设备配电设计规范》GB 50055-2011中6.0.8-3充电间应通风良好，当自然通风不能满足要求时，应采用机械通风，每小时通风换气次数不应少于8次。

良好通风条件：根据规范要求，要达到良好通风条件每小时通风换气次数不应少于6次/8次。

根据上文氢气逸出量的计算，要达到爆炸下限的10%，蓄电池需要持续充电时间29小时以上。通常蓄电池的单次充电时间为8小时，所以要想达到非危险区域的标准是很容易实现的。

规范对通风换气次数的要求在数据中心的使用环境下是不合理的。

《电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范》GB50172-2012中规定：蓄电池室应采用防爆型灯具、通风电机，室内照明线应采用穿管暗敷，室内不得装设开关和插座。

综上按非危险区域设计：

（1）通风机采用防爆型；非危险区域是否必须为防爆型？

（2）吸风口上缘至顶棚平面或屋顶的距离不大于0.1m；

（3）通风换气次数按每小时小于8次设计？值得商榷。

4 电池间电气设计

《电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范》GB50172-2012蓄电池室应采用防爆型灯具、通风电机，室内照明线应采用穿管暗敷，室内不得装设开关和插座。

综上按非危险区域设计：

采用防爆型灯具，室内照明线应采用穿管暗敷，室内不得装设开关和插座；非危险区域是否必须采取防爆措施？

（1）实际运行的大量数据中心中，蓄电池和UPS及开关柜放置在一个房间内的案例很多，其UPS及开关柜等均未按防爆型产品，也能保证长期安全可靠运行。

（2）仅对照明和通风电机进行防爆设计，不对其他电气设备（配电箱、开关箱、空调等）和布线系统进行防爆设计难以达到防爆设计目的。

5 结束语

随着电池技术的进步，阀控式密封铅酸蓄电池运行过程中氢气等有害气体的逸出量已经很少，而规范规定相对保守给合理设计带来困难。按规范要求运行将造成能耗损失，增加运维成本。在运维过程中应结合UPS充放电情况及环境合理调整策略，在保证安全的情况下可降低运维成本。