引言

近年來，大型數(shù)據(jù)中心作為新基建項目在國內(nèi)蓬勃發(fā)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(shù)據(jù)中心廣泛使用，是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施安全運行的重要保障。根據(jù)數(shù)據(jù)中心規(guī)模，閥控式鉛酸蓄電池的數(shù)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(shù)量龐大，蓄電池間是否應按防爆區(qū)域進行設(shè)計，值得深入探討。在多個數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施驗證測試過程中，筆者發(fā)現(xiàn)各設(shè)計單位對該問題的處理尺度偏差較大：有的設(shè)計單位不做任何防爆設(shè)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(guān)文獻規(guī)范在蓄電池間內(nèi)執(zhí)行防爆設(shè)計存在較多困難。因此，本文將依據(jù)閥控式鉛酸蓄電池的工作原理和特性、爆炸性氣體環(huán)境劃分的基本方法、數(shù)據(jù)中心電池間電氣設(shè)備現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)行國內(nèi)相關(guān)防爆設(shè)計規(guī)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(zhì)（二氧化鉛，pbo2）和負極的活性物質(zhì)（海綿狀鉛，pb）均變成硫酸鉛（pbSo4），充電后又恢復到原來的狀態(tài)，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(zhuǎn)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(chǎn)生將使電池內(nèi)部失水而需定期補水，電池難以實現(xiàn)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(shè)計思路，提高氫氣的析出電位，使正極出現(xiàn)氧氣先于負極出現(xiàn)氫氣。同時采取“貧液”設(shè)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(shè)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(nèi)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(nèi)部。故這一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，確保了閥控式鉛酸電池只在特殊情況下（內(nèi)部壓力過高時）才會向外部釋放氫氣。

2爆炸產(chǎn)生的基本原理

爆炸三要素指的是構(gòu)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(fā)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(fā)生[5]。這就是所謂的爆炸三角形原理，如圖1所示。

3蓄電池間爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域的劃分

依據(jù)可燃物質(zhì)出現(xiàn)的頻繁程度及持續(xù)時間，可燃物質(zhì)釋放源可劃分為連續(xù)釋放源、一級釋放源、二級釋放源[6]。當連續(xù)或長期釋放可燃氣體時，可認定為連續(xù)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(xiàn)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(chǎn)生氫氣，只在嚴重過充電導致電池內(nèi)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(huán)境危險區(qū)域按具體工況可劃分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。當存在連續(xù)釋放源時，可認定為0區(qū)；存在一級釋放源時，可認定為1區(qū)；存在二級釋放源時，可認定為2區(qū)[6]。故電池間的爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域可初判為2區(qū)。氫氣屬于易燃易爆的甲類物質(zhì)，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節(jié)，閃點為氣態(tài)，相對密度0.1[6]。

4防爆電氣設(shè)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(huán)境2區(qū)，則可根據(jù)表1和表2選定電池間內(nèi)防爆電氣設(shè)備對應的防護等級和溫度組別。

比如選用dⅡCT1（d：隔爆型，ⅡCT1：溫度組別）類型的設(shè)備，可滿足在氫氣爆炸性危險環(huán)境2區(qū)的使用要求。

5項目實施難點和解決問題的方法

主流的數(shù)據(jù)中心主要有兩種蓄電池的布局設(shè)計形式：

布局形式1：蓄電池單獨布置于電池間內(nèi)。

布局形式2：蓄電池與UPS、直流開關(guān)電源、低壓配電柜、變壓器等處于同一設(shè)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(guī)范》、DL/T 5044—2004《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》和GB 50059—2011《35 kV~110 kV變電站設(shè)計規(guī)范》相關(guān)條文要求，在數(shù)據(jù)中心電池間設(shè)置防爆燈具、防爆插座、防爆按鈕箱等。但數(shù)據(jù)中心閥控式鉛酸蓄電池對運行環(huán)境溫度有較嚴格要求，即環(huán)境溫度應保持在20~30節(jié)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(nèi)必須配置制冷精密空調(diào)，而空調(diào)設(shè)備通常屬非防爆設(shè)備，或帶防爆形式的空調(diào)設(shè)備造價昂貴。

對于布局形式1，電池間內(nèi)還安裝有相當數(shù)量的蓄電池直流開關(guān)箱、動力及機房環(huán)境采集器機柜、蓄電池巡檢儀、風閥執(zhí)行器及氣體泄漏報警探頭等非防爆設(shè)備，很難找到可替代的防爆產(chǎn)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(guān)電源等非防爆設(shè)備就近布置。

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

此外，根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求，防爆設(shè)計不僅對電氣設(shè)備有嚴格要求，還對與之配套的建筑防爆整體布局、設(shè)備布局和電氣線路設(shè)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(shè)計與客觀現(xiàn)狀的矛盾，既要安全合規(guī)，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(jù)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(fā)生，而氧氣是難以控制的，故控制爆炸性物質(zhì)和點火源為兩個最常用的防爆手段。控制爆炸性物質(zhì)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(qū)域劃分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)或是非劃分區(qū)域，一定程度上取決于該區(qū)域的通風情況[7]。釋放到大氣中的氣體會因為向空氣發(fā)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(nèi)的氣體同新鮮空氣發(fā)生置換[7]，它將對擴散起到促進作用。適當?shù)耐L同樣可以避免爆炸性氣體環(huán)境的維持，從而影響區(qū)域劃分的類型。當可燃物質(zhì)可能出現(xiàn)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(huán)境區(qū)域[6]。

解決問題的關(guān)鍵轉(zhuǎn)向如何保持良好的通風條件，這無疑給工程設(shè)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(xiàn)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(qū)域，應確保這些區(qū)域的良好通風，維持室內(nèi)的非爆炸性氣體環(huán)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(xiàn)良好通風；當設(shè)置備用的獨立機械通風系統(tǒng)時，封閉建筑內(nèi)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(shù)據(jù)中心電池間內(nèi)所有電氣設(shè)備和設(shè)施均可按非防爆區(qū)域工況進行設(shè)計。

5.3安裝氫氣探測報警裝置控制通風系統(tǒng)

由于閥控式密封鉛酸蓄電池產(chǎn)生氫氣屬特殊情況，且電池間有維持制冷溫度的要求，從節(jié)能和經(jīng)濟運行的角度，通風系統(tǒng)在爆炸性氣體的濃度達到報警裝置的設(shè)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(shè)定值時，探測裝置發(fā)出報警，并聯(lián)動通風裝置啟動，向外界排出可燃氣體，以維持室內(nèi)的非爆炸性氣體環(huán)境。

6國內(nèi)現(xiàn)行不同規(guī)范對防爆區(qū)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(guī)范》、DL/T 5044—2004《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》和GB 50059—2011《35 kV~110 kV變電站設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)條文均對電池間設(shè)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(jù)表1和表2可知，不同爆炸環(huán)境區(qū)域?qū)υO(shè)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(shè)備方能滿足要求。而上述規(guī)范僅籠統(tǒng)地提出安裝防爆設(shè)備的寬泛要求，并未給出具體執(zhí)行的方法，難免令人產(chǎn)生困惑。筆者猜想，上述規(guī)范對電池間的防爆要求可能延續(xù)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(jié)構(gòu)設(shè)計上已實現(xiàn)大幅減少氫氣排放，安全性明顯提高。故有關(guān)規(guī)范的條文是否應做適當調(diào)整，值得斟酌和探討。

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

7結(jié)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(huán)境的可能性，探討了電池間按非防爆區(qū)設(shè)計的方法，并對國家現(xiàn)行不同規(guī)范對爆炸危險區(qū)域劃分的規(guī)定和方法差異給出了初步的建議。