阀控式铅酸蓄电池室防爆问题探析

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。

本文通过计算蓄电池析出的氢气量达到爆炸浓度极限所需的时间，针对数据机房的工作环境，讨论蓄电池室是否划分为爆炸危险区域，为阀控式铅酸蓄电池室的设计提供参考。

现行标准对蓄电池室防爆电器的规定

a. 国家标准GB 50172 - 2012《电气装置安装工程  蓄电池施工及验收规范》第3.0.7条规定：“蓄电池室应采用防爆型灯具、通风风机，室内照明线应采用穿管暗敷 ……”此条款为黑体字，属于强制执行条款。

b. 通信行业标准YD 5003 - 2014《通信建筑工程设计规范》第11.3.6条规定：“阀控式蓄电池室的照明，可按一般通信机房设计。”

阀控式铅酸蓄电池的气体成因及气体析出量

铅酸蓄电池的充放电化学总反应方程式为：

铅酸蓄电池在充电过程中，充电电流的一部分用于PbSO₄转变为PbO₂以外，还有一部分会用于水的电解，从而使正极析出氧气，负极析出氢气。两极的气体析出反应如下：

除正常充电之外，过充电、正极板栅腐蚀、自放电过程也会产生气体。该气体包括酸雾、氢气、氧气等，铅酸蓄电池内部产生气体，不仅会使电池内部失水，也使电池难以密封。从铅酸蓄电池诞生以来，人们一直在寻求电池的密封：采用高孔隙率阴极吸收式(AGM)隔板为氧的复合提供通道；以及恒压限流充电方式防止过充电等关键技术；同时采用析氢过电位较高的合金作为板栅材料来降低因板栅腐蚀而析出的氢气量；并在电池内部气压超过预定值时，安全阀会自动开启，当气压降低后安全阀会自动闭合，同时防止外部空气进入蓄电池内部，使其达到密封目的。

标准给出了气体析出量的试验方法，同时，对阀控式铅酸蓄电池的气体析出量的上限值作出了要求。

国家标准GB / T 19638.1 - 2014《固定型阀控密封式铅酸蓄电池 第1部分：技术条件》第5.2.1条规定：“蓄电池按6.7试验，单体蓄电池平均每安时·小时对外释放出的气体量G_e、G_e′在标准状态下应符合下述规定值：

a）在20 ℃ 及单体蓄电池电压为U_{f l o}（V）浮充条件下G_e ≤ 0.04 mL;

b）在20 ℃ 及单体蓄电池电压为2.40（V）浮充条件下G_e′ ≤ 1.70 mL。”

通信行业标准YD / T 2343 - 2011《通信用前置端子阀控式密封铅酸蓄电池》第5.11条规定：在25 ℃± 5 ℃的环境中以2.4 V / 单体电压充电，每个2 V单体电池气体产生量应低于1.2 mL / Ah · h。

温度的变化对蓄电池充电有一定的影响，YD / T 2343 - 2011第5.2.4条规定：“应按制造厂要求对电池的浮充电压和均充电压值进行温度补偿，温度补偿系数为 - 3 mV ~ - 7 mV / ℃ / 单体，但最髙均充2.40 V / 2.20 V /

氢气爆炸浓度极限的时间计算

由于影响电池气体析出量的因素较多，如温度、充电电压、电池的老化等，因此，通过化学反应式很难计算气体的析出量。另外不同厂家、不同型号电池析出的气体量也不同，根据厂家提供的产品检验报告可以看出，通常电池实际的气体释放量要比标准要求的最大值小很多，但是厂家不能提供所有型号电池的气体析出量的检验报告，因此出于安全考虑，以下计算依据标准要求的上限值进行。

依照国家标准GB / T 19638.1 - 2014《固定型阀控密封式铅酸蓄电池 第1部分：技术条件》，阀控式铅酸蓄电池计算分为正常和异常两种工作状态：① 正常状态的浮充电压下（具体数值由制造商确定），2 V蓄电池气体释放量为0.04 mL；② 异常状态的浮充电压2.4 V，2 V蓄电池气体释放量为1.70 mL。

为便于计算房间内的气体量，做以下假设：① 阀控式铅酸蓄电池析出气体全部为氢气；② 蓄电池室是密封的；③ 配电柜、空调机、恒湿机、变压器、电池架是密闭的。

当氢气与空气混合，在4 % ~ 75 % 浓度范围内，遇明火发生爆炸。以下按最低浓度4 % 进行计算。

以某数据中心为例，计算阀控式铅酸蓄电池析出的氢气量达到爆炸浓度极限所需要的时间。

对于房间内设备体积，有以下两种布置方案可供参考。

方案一：典型蓄电池室

该方案中，低压配电柜、UPS等电气设备和蓄电池在同一房间，蓄电池室平面图如图1所示。

a. 计算房间的净体积：① 房间的体积2 898.92 m³；② 变压器的体积20.70 m³；③ 低压柜44.00 m³④ UPS98.23 m³⑤ 池架的体积88.45 m³；⑥ 空调机的体积28.00 m³；⑦ 恒湿机的体积4.32 m³。因此该室的净体积约为2 615.22 m³，按4 ％ 计算其体积约为104.60 m³。

b. 统计蓄电池组的总容量：该房间内的阀控式铅酸蓄电池采用的是单体12 V / 550 W的高功率蓄电池组，共11套，每套4组，每组40只串联，4电池按4层双列立式布置。由相关数据得知，12 V / 550 W高功率蓄电池对应于12 V / 145 Ah普通蓄电池，合计：10 560块×145 Ah = 1 531 200 Ah。

c. 计算电池组释放的氢气量：正常工作情况下，该室内部蓄电池每小时释放的氢气体积量为1 531 200 Ah× 0.04 cm³ / Ah = 61 248 cm³ ≈ 0.06 m³；异常工作情况下，该室内部蓄电池每小时释放的氢气体积量为1 531 200 Ah × 1.7 cm³/ Ah = 2 603 040 cm³≈ 2.60 m³。

d. 计算氢气达到爆炸浓度极限所需时间：正常工作情况下，氢气达到爆炸浓度极限所需要的时间为104.60 m³÷0.06 m³ = 1 743.3 h ≈ 73天；异常工作情况下氢气达到爆炸浓度极限所需要的时间为104.60 m³÷2.60 m³= 40.2 h ≈ 2天。

方案二：在不影响蓄电池使用的情况下布满蓄电池

该方案中蓄电池室平面图如图2所示。

a. 计算房间的净体积：① 房间的体积2 898.92 m³；② 电池架的体积257.31 m³；③ 空调机的体积28.00 m³；④ 恒湿机的体积4.32 m³，因此该室的净体积约为2 609.29 m³，按4 ％ 计算其体积约为104.37 m³。

b. 统计蓄电池组的总容量：蓄电池共32套，每套4组，每组40只串联，4组电池按4层双列立式布置。合计：15 360块×145 Ah = 2 227 200 Ah。

c. 计算电池组释放的氢气量：正常工作情况下，则该室内部蓄电池每小时释放的氢气体积量2 227 200 Ah×0.04 cm³ / Ah = 89 088 cm³ ≈ 0.09 m³；异常工作情况下，该室内部蓄电池每小时释放的氢气体积量2 227 200 Ah×1.70 cm³ / Ah = 3 786 240 cm³≈ 3. 79 m³。

d.  计算氢气达到爆炸浓度极限所需时间：正常工作情况下，氢气达到爆炸浓度极限所需要的时间为104. 37 m³÷0. 09 m³ = 1 159. 67 h ≈ 48天；异常工作情况下氢气达到爆炸浓度极限所需要的时间为104. 37 m³÷3. 79 m³ = 27. 5 h ≈ 1天。

综合上述两个方案的计算可得出以下结果：

a. 正常工作情况下，氢气达到爆炸浓度极限所需要的时间为48 ~ 73天。

b. 异常工作情况下氢气达到爆炸浓度极限所需要的时间为1 ~ 2天。

由于以上计算是依据标准的最大限值，并且假设析出的气体全部为氢气，而且在实际的蓄电池室中，变压器、配电柜、电池架等均不是密闭的，房间实际净体积应该更大，所以实际上氢气达到爆炸浓度极限所需的时间要远大于以上计算值。

阀控式蓄电池室的爆炸危险性评估

标准对数据中心阀控式蓄电池室的工作环境有着严格的要求，包括房间的通风换气、动环监测系统、维护管理规定等：

a. 国家标准GB 50736 - 2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第6.3.7条第1款规定：“设备机房应保持良好的通风，无自然通风条件时，应设置机械通风系统。”该规范“表6.3.7 部分设备机房机械通风换气次数”中蓄电池室通风换气次数为10～12次 / h。

b. 数据中心动环监控系统包括对电池的监控、风机的监控、环境温度的监控，当电池过充、风机及空调等设备故障、环境温度升高都会发出告警信号。

c. 维护管理规定维护人员每天都要对蓄电池室进行检查。

因此，阀控式铅酸蓄电池室内不会同时出现1天以上时间房间密闭、风机故障、电池异常及无人检查等情况。

综上，无论基于计算结果还是从日常对机房的维护要求判断，在数据中心正常运行时，阀控式铅酸蓄电池室的氢气量不存在达到爆炸浓度极限的可能性。

爆炸性气体环境危险区域的划分

阀控式铅酸蓄电池室是否划分为爆炸性气体环境危险区域，划分原则应执行国家标准GB 50058 - 2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》及GB 3836.14 - 2014《爆炸性环境 第14部分：场所分类  爆炸性气体环境》：

a. GB 50058 - 2014第3.3.1条第1款规定：“爆炸性气体环境危险区域范围”“应根据释放源的级别和位置、可燃物质的性质、通风条件、障碍物及生产条件、运行经验，经济技术比较综合确定”；其3.3.2条第1款指出：“可燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限值的10 %”时“可划为非爆炸危险区域”。

根据前面的计算结果，“异常工作情况下氢气达到爆炸浓度极限4 % 所需要的最小时间为27.5 h”。10 / h0.1 h换气1次。为便于计算，按风机间歇性工作考虑，因此，每次换气前，阀控式铅酸蓄电池室内氢气可能达到的最高浓度不超过0.1÷27.5×4 % = 0.015 %，小于氢气的爆炸下限值的10 % ，即0.4 %，因此，可划为非爆炸危险区域。

b. 按规定，阀控式铅酸蓄电池排放氢气不是连续的，属于“二级释放源”。通风系统连续运行，属于“高级通风”。蓄电池室的换气次数10～12次 / h，较GB 50058 - 2014 规定的6次 / h的通风效果要好，并符合“能使可燃物质很快稀释到爆炸下限值的25 % GB 3836.14 - 2014表B.1的规定,阀控式铅酸蓄电池室属于“二级释放源”“高级通风”“通风良好”，则可划为非爆炸性气体环境危险区。

通过以上计算和分析，得出结论：

a. 在数据中心正常运行、正常维护的条件下，阀控式铅酸蓄电池室的氢气量不存在达到爆炸浓度极限的可能性。

b. 按照国家标准 GB 50058 - 2014及GB 3836系列标准规定，阀控式铅酸蓄电池室应划分为非爆炸性气体环境危险区域，无需采用防爆措施。

综上所述，场所分类、爆炸性气体环境分区是一项全面、细致的工作，需要了解设备性能、工艺流程、电气、通风等各专业的知识。尤其当各标准之间存在要求不一致情况时，设计人员更应判断其合理性，不能因为存在爆炸气体释放源，就简单地认为属于爆炸危险环境，采取“就高不就低”的态度，盲目采取防爆措施，这样做的结果不仅对安全无益，反而造成不必要的浪费。

本文全文载于《建筑电气》2020年第2期，详文请见杂志。

版权归《建筑电气》所有。

作者：

宗希媛，女，中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，高级工程师，电气总工程师。

冯晓玫，女，天津中建国际工程设计有限公司，高级工程师。

李宁，男，哈尔滨工业大学电气学院。

王琼，女，中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，高级工程师。