数据中心蓄电池室爆炸性气体环境探讨
一、前言
1、数据中心的UPS装置广泛采用阀控式密封铅酸蓄电池，从化学反应原理得知其在充电时产生的氢气存在释放的可能性。在国家标准《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB-的附录C可以查出氢气爆炸性混合物的分级、分组参数：级别是ⅡC、引燃温度组别T1、引燃温度℃、闪点为气态、爆炸极限下限为4%、爆炸极限上为75%、相对密度0.1，在满足爆炸的条件时会发生爆炸。GB-的第3.1.1条规定了“在大气条件下，可燃气体与空气混合形成爆炸性气体混合物”、“闪点低于或等于环境温度的可燃液体的蒸气或薄雾与空气混合形成爆炸性气体混合物”环境之一时，“应进行爆炸性气体环境的电力装置设计”。
、国家标准《电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范》GB-01中第3章“基本规定”的第3.0.7条以强制性条文规定了“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。”
3、目前国内运行、在建、正在设计的A级、B级数据中心的UPS间的阀控式密封铅酸蓄电池、UPS的交流电源配电装置、UPS馈出配电装置布置在同一房间的做法很普遍，且设备、照明均没有按防爆环境设计要求和选型，与GB-01的规定不符。
4、鉴于GB-01第3.0.7条强制性条文性质，以数据中心的阀控式密封铅酸蓄电池室为对象，探讨其爆炸性气体环境及危险区域的划分来分析蓄电池室的电气设计。
二、爆炸性气体环境危险区域划分的相关规定
涉及的爆炸性气体环境危险区电气设计的国家标准:
《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB-。
《爆炸性气体环境用电设备第14部分：危险场所分类》GB.14-
（idtIEC-10-1:,IDT)。
《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》GB.1-
（对应于IEC-0:《爆炸性环境第0部分：设备通用要求》）
GB-编制采用GB.14-(idtIEC-10:)版的一些相关规定；为说明清楚，本文采用G-及GB.14-的相关规定来分析和探讨。
1、相关术语和定义
爆炸性气体环境：在大气条件下，可燃气体与空气混合形成爆炸性气体混合物引燃后，能够保持燃烧自行传播的环境。
爆炸危险区域：爆炸性混合物出现的或预期可能出现的数量达到足以要求对电气设备的结构、安装和使用采取预防措施的区域。
非爆炸危险区域：爆炸性混合物出现的数量不足以要求对电气设备的结构、安装和使用采取预防措施的区域。
爆炸性气体混合物：在大气条件下，气体、蒸气、薄雾状的可燃物与空气的混合物，引燃后燃烧将在全范围内传播。
区域：根据爆炸性气体环境出现的频度和持续时间把危险场所分为0区、1区、区。
0区：爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。
1区：在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所。
区：在正常运行时不可能出现爆炸性气体环境的场所如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场所。
正常运行：指设备在其设计参数范围内的运行状况。
释放源：可释放出能形成爆炸性混合物的物质所在的部位或地点。
通风：由于风力、温度梯度或人工通风（如风扇或排气扇）作用可造成的空气流通和新鲜空气与原来空气置换。
爆炸下限（LEL）：可燃气体、蒸气或薄雾在空气中形成爆炸性气体混合物的最低浓度。空气中的可燃气体或蒸气的浓度低于该浓度，则气体环境就不能形成爆炸。
爆炸上限（UEL）：可燃气体、蒸气或薄雾在空气中形成爆炸性气体混合物的最高浓度。空气中的可燃气体或蒸气的浓度高于该浓度，则气体环境就不能形成爆炸。
闪点：在标准条件下，使液体变成蒸气的数量能够形成可燃性气体或空气混合物的最低液体温度。
引燃温度：可燃性气体或蒸气与空气形成的混合物，在规定条件下被热表面引燃的最低温度。
轻于空气的气体或蒸气：相对密度小于0.8的气体或蒸气。
设备保护级别（EPL）：根据设备成为引燃源的可能性和爆炸性气体环境及爆炸性粉尘环境所具有的不同特征而对设备规定的保护级别。
、爆炸性气体环境中发生爆炸的条件
GB-的第3.1.条规定了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，浓度在爆炸极限内；
存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电弧或高温”。
3、爆炸性气体环境中应采取的防止爆炸的措施
1）GB-的第3.1.3条规定在爆炸性气体环境中应采取下列防止爆炸的措施：
“1产生爆炸的条件同时的可能性应减到最小程度。”。
“工艺设计中应采取消除或减少可燃物质的释放及积累的措施。”。
“3防止爆炸性气体混合物的形成或缩短爆炸性气体混合物的滞留时间的措施。”。
“4在区域内采取消除或控制设备线路产生火花、电弧或高温的措施。”。
）GB.14-中“3.1安全原理”要求“在可能存在有爆炸性气体环境的情况下，应采取下列措施：
“a）消除点燃源周围出现爆炸性气体环境的可能性，或b）消除点燃源。
如不可能，应选择并准备一些预防措施采取下列相应预防措施，即工艺设备、系统和程序使a）和b）共同存在的可能性减少到允许的程度。如果按高可靠性认可或综合在一起以达到相同的安全水平，则可以单独地采用这些方法，或者联合使用以达到等效的安全水平。”。
4、爆炸性气体环境危险区域划分
爆炸危险区域的划分应按照释放源级别和通风条件确定，并应根据通风条件的规定调整区域划分。
1）GB.14-关于通风对爆炸危险区域的影响的规定
通风对爆炸危险区域的影响见表B1。（摘自GB.14-“附录B通风”）。
表B1通风对区域类型的影响
释放源等级
通风
等级
高
中
低
有效性
良好
一般
差
良好
一般
差
良好、一般或差
连续级
（0区NE）
非危险1）
（0区NE）
区
（0区NE）
1区
0区
0区+
区
0区+
1区
0区
1级
（0区NE）
非危险1）
（1区NE）
区1）
（1区NE）
区1）
1区
1区+
区
1区+
区
1区或0区3）
级
（区NE）
非危险1）
（区NE）
非危险1）
区
区
区
区
1区至0区3）
1）0区NE、1区NE、区NE表示在正常条件下，其范围可忽略不计的理论上的区域。
）由级释放源产生的区也会超过由1级或连续级释放源引起的区域，在这种情况下，应取较远距离。
3）若通风很弱，并且释放形成的爆炸性气体环境事实上还连续存在（亦即接近“无通风”条件），则为0区。
注：“+”表示被……包围。
①GB.14-指出了通风对危险区域划分的影响，“确定危险区域类型的根本因素就是鉴别释放源和确定释放源的等级”。“如果已确认设备会向大气中释放可燃性物质，必须首先确定大概的释放频率和持续时间，然后按分级的定义确定释放源的等级。根据该方法，各种释放源可分别划为‘连续级’,‘1级’或‘级’。”
连续释放或预计频繁释放或长期释放的释放源为“连续级释放源”。正常运行时，预计可能周期性或偶尔释放的释放源，如可燃物质的泄压阀、排气口和其他孔口为“1级释放源”。正常运行时，预计不能向空间释放，如果释放也仅是偶尔和短期释放的释放源，如可燃物质的安全阀、排气孔和其他孔口为“级释放源”。
释放源的等级确定之后，必须测定出可能影响危险场所类型和范围的释放速率和其他因素（例如释放源的几何形状、释放速度、浓度、温度）。
②GB.14-明确了通风的目的就是将“释放到大气中的可燃性气体或蒸气可以通过逸散或扩散的方法在空气中稀释，直到其浓度低于爆炸下限为止”。“控制爆炸性环境扩散和持续时间的通风效果取决于通风等级和有效性以及通风系统的设计”。
“通风等级或通风量直接与释放源类型和其对应的释放速率相联系。它与通风的类型（作者注：自然通风、人工通风）无关，即不管是以风速计算还是以单位时间内换气次数计算。因此，在危险场所中，能达到最佳通风条件，并且对一定的释放速率，通风量越大，危险场所的范围就越小，在某种情况下，可使其减小到忽略不计，变成非危险场所。”。通风等级分为“高级通风”、“中级通
风”、“低级通风”三种等级。
“高级通风”系实质上能够在释放源处瞬间降低其浓度，使其低于爆炸下限的浓度及区域范围，但是当通风有效性不好时，在很小范围内的区域外会环绕另一类型的区域。“中级通风”系能够控制浓度，虽然释放源正在释放中，使得区域界限稳定，并且在释放停止释放后，爆炸性环境持续存在时间不会过长。“低级通风”系在释放源释放过程中，不能控制其浓度，并且／或在释放源停止释放后，也不能阻止爆炸性环境持续存在。
“通风的有效性将影响爆炸性环境的存在和形成”。通风的有效性分为“良好”、“一般”、“差”三个等级。“良好”指“通风连续地存在”；“一般”指“在正常运行时，预计通风存在。允许发生短时、不经常的不连续通风”；“差”指“不能满足‘良好’或‘一般’标准的通风，但预计不会出现长时间的不连续通风”，“对于差的通风都不能满足的通风条件，不得考虑成有通风条件的场所”。
“自然通风”“对户外场所，一般情况下，判断通风条件应以假设最小风速为0.5m/s为基础，且连续地存在。这种情况下，通风的有效性应被看作是‘良好’”。
人工通风在估计人工通风有效性时，应考虑设备的可靠性和有效性。
③GB.14-在“3.场所分类的目的”中规定“特别是应通过设计或适当的操作方法，将0区或1区场所在数量上或范围上减至最小”，“使大部分应该为区或非危险场所”。
)GB-对气体爆炸危险区域的规定
1）对爆炸性气体环境场所分类“以便正确选择和安装危险场所中的电气设备，达到安全使用的目的”。
）爆炸性气体环境危险区域的范围“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”。
3）爆炸性气体环境场所危险区域分类为0区、1区、区是按照“定义来确定其产生爆炸性气体环境的可能性。”，并应根据通风条件调整危险区域的划分。
4）释放源按照可燃物质的释放频繁程度和时间长短分为连续释放源、一级释放源、二级释放源。与GB.14-的规定一样。
5）“在出现爆炸性气体环境的可能性很高的场所，应采用安全性能高的电气设备。相反，如果降低爆炸性气体环境出现的可能性，则可以使用安全性能较低的设备。”，“并把气体的级别和温度组别考虑进去。”。
6）符合“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5%以下时，可定为通风良好”，其中“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”的场所；当采用机械通风时“封闭式或半封闭式的建筑物设置备用的独立通风系统”或“当通风设备发生故障时，设置自动报警或停止工艺流程等确保能阻止可燃物质释放的预防措施，或使设备断电的预防措施”可不计机械通风故障的影响”，“可定为通风良好场所”。
7）“可燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限值的10%”“可划为非爆炸危险区域”；“使用于特殊环境中的设备和系统”“采取措施确保不形成爆炸危险性环境”“可不按爆炸危险性环境考虑”。
8）根据通风条件调整爆炸性气体环境危险区域范围划分时，规定了“当通风良好时，可降低爆炸危险区域等级；当通风不良时，应提高爆炸危险区域等级”及“局部机械通风在降低爆炸性气体混合物浓度方面比自然通风和一般机械通风更为有效时，可采用局部机械通风降低爆炸危险区域等级。”。
上述内容表明爆炸性气体环境危险区域范围划分时除必须考虑爆炸介质外，还需综合考虑采取的措施是否使其为非爆炸危险区域。
三、数据中心蓄电池室爆炸性气体环境危险区域探讨
1、阀控式密封铅酸蓄电池工作特性
阀控式密封铅酸蓄电池化学反应原理、化学反应方程式、正负极板和一般铅酸蓄电池一样，但电解液呈凝胶状或被吸附在高孔率的隔离板内，无流动电解液。因为阀控式密封铅酸蓄电池正常使用时保持气密和液密状态，当内部气压超过预定值时，安全阀自动开启，当气压降低后自动闭合，同时防止外部空气进入蓄电池内部，使其密封。通常情况下，正极析出氧气先于负极析出氢气；蓄电池的结构使电池内部保留一定压力和气体，氧气和氢气合成为水，保证了分解、合成反应循环进行，正常使用情况下无需补加电解液。阀控式密封铅酸蓄电池在正常情况下没有气体、酸雾及硫酸排出电池外，充电时所产生的气体能在电池内部自行消除，蓄电池无论立放或卧放均可正常工作。电池均充和浮充时采取限制充电电流的措施，但充电时通过安全阀释放出少量氢气的现象难以避免。
、阀控式密封铅酸蓄电池室设置通风机的相关规定
1）国家标准GB55-的相关规定
国家标准《通用用电设备配电设计规范》GB55-第6.0.8条“3”规定“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。”，在条文说明中解释规定的原由是“根据我国现行行业标准《电信专用房屋设计规范》YD/T3的规定：安装有防爆式酸式蓄电池的电池室，通风量不应小于每小时换气5次。参照上述规定，并考虑到蓄电池充电至后期时将产生较多的腐蚀性气体和氢气，所以本规范规定每小时通风换气次数不应少于8次。”。表明GB55-要求设置通风机是用于排酸雾和氢气。
）国家标准GB-的相关规定
依据GB-的“通风的空气流量能使可燃物质很快稀释到爆炸下限值的5%以下时，可定为通风良好”；并规定还需符合“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”的要求。符合该条规定则通风有效性为通风良好。
3）行业标准DL/T-的相关规定
行业标准《电力工程直流系统设计技术规程》DL/T-第9..1条对阀控式密封铅酸蓄电池规定了“蓄电池室内温度宜为15℃～30℃。”，表明其蓄电池室设有通风机。通风机同时具有稀释爆炸性气体浓度的功能，其运行方式使其具有不同的通风等级。
4）国家标准GB4-的相关规定
国家标准《电子信息系统机房设计规范》GB4-的附录A中有不间断电源系统机房的环境温度规定，A级、B级数据中心机房空调的通风机为连续运行使其的通风等级为“高级通风”。
3、数据中心阀控式密封铅酸蓄电池室爆炸性气体环境危险性区域的评估
1）爆炸性气体环境危险性区域的规定
GB-的《附录B爆炸性气体环境危险区域范围典型示例图》中“5”就“图B.0.1-7可燃物质轻于空气、通风良好的生产装置区”指出“对于可燃物质轻于空气，通风良好且为第二级释放源的主要生产装置区，当释放源距地的高度不超过4.5m时，以释放源为中心，半径为4.5m，顶部与释放源的距离为4.5m，及释放源至地坪以上的范围内可划为区”。
）释放源的分类
阀控式密封铅酸蓄电池室内布置的蓄电池在正常工作时基本上没有氢气逸出，当充电过程中出现充电电流不合理控制时，方可能导致安全阀开启释放出氢气，蓄电池内压力低于安全阀开启值时自动关闭。显然阀控式密封铅酸蓄电池的安全阀为第二级释放源。
3）通风的评估
按照通风等级分类规定，因为阀控式密封铅酸蓄电池安全阀排放氢气不是连续的，无时序要做到“高级通风”需通风系统连续运行；采用氢气浓度来控制通风系统可做到“中级通风”；不依据氢气浓度手动控制通风系统可为“低级通风”。数据中心A、B级机房的UPS室通风系统都是连续运行，为高级通风。
国家现行的设计标准DL/T-第8..1条规定阀控式密封铅酸蓄电池组“容量在00Ah以上时宜设专用的蓄电池室”；在第9.1.10条规定了“蓄电池室内应有良好的通风设施。”，蓄电池安装在蓄电池室自然通风做不到通风良好要求，即阀控式密封铅酸蓄电池室应设通风机。GB55-规定蓄电池室采用机械通风每小时通风换气次数不应少于8次，较GB-规定的6次的通风效果要好，显然按照蓄电池室换气次数8次设计并符合能使可燃物质很快稀释到爆炸下限值的5%以下时属于通风良好。
按照表B1，阀控式密封铅酸蓄电池释放源为二级、通风级别为“高级通风”、通风有效性为“通风良好”或“通风一般”，则可划为非爆炸性气体环境危险区；蓄电池室为“中级通风”及通风有效性为“通风良好”、“通风一般”、“通风差”，其爆炸性气体环境危险区域区；蓄电池室为“低级通风”、通风有效性为“通风良好”、“通风一般”、“通风差”，其爆炸性气体环境危险区域1区，当接近“无通风”条件时为0区。
4）数据中心阀控式密封铅酸蓄电池室爆炸性气体环境危险性区域
数据中心A、B级机房的UPS室UPS间按照GB-附录B的B.0.1中第3款“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。”；在数据中心A、B级机房的UPS室UPS间的蓄电池符合通风级别“高级通风”、通风有效性为“良好”或“一般”、蓄电池氢气为级释放源时，其数据中心的蓄电池、UPS、配电装置布置在同一房间，A级、B级数据中心机房按照表B1可划为非爆炸性气体环境危险区。
对于C级机房应按照表B1及GB-附录B的B.0.1中第3款“蓄电池的封闭区域具备蓄电池无通气口，其总体积小于该封闭区域容积的1%或蓄电池的充电系统的额定输出小于或等于00W并采取了防止不适当过充电的措施等条件时，可按照非危险区域考虑”的规定，评估后确定是否属于爆炸性气体环境危险区。
四、讨论
1）可能出现爆炸性气体环境的场所首先应通过爆炸性气体环境的评估来确定是否存在爆炸性气体环境，并根据释放源、通风、采取的防止爆炸的措施等进行爆炸性气体环境危险区域划分和进行爆炸性气体环境的电力装置设计。显然GB-01第3.0.7条强制性条缺乏上述环节。
）对数据中心蓄电池室爆炸性气体危险区域划分等的分析，不难看出通风等级不同、通风有效性不同影响其爆炸性气体环境危险区域的范围大小和是否存在爆炸爆炸危险区域。所以GB-01强制性条文的要求防爆电气设计不妥。且GB-01提法与相应现行国家标准GB-的规定不协调，使其科学性、协调性、可操作性较差，给设计、审图、施工带来诸多问题。
3）GB-的规定了“爆炸性环境内的电气设备保护级别的选择应符合表5..-1的规定”。表中要求电气设备保护级别（EPL）0区应选用Ga级，常用本质安全型（ia）、浇封型（ma）等。1区选择Ga或Gb级，常用为隔爆型（d）、增安型（e）、本质安全型（ib）、浇封型（mb）等。区应为Ga、Gb或Gc级的防爆结构，常用为无火花（n，nA）、本质安全型（ic）、浇封型（mc）、火花保护“nC”等。
规范规定了“防爆电气设备的防爆级别和温度组别不应低于该爆炸性气体环境内爆炸性气体混合物的防爆级别和温度组别”。
阀控式密封铅酸蓄电池属于ⅡC级的分类。当蓄电池室按氢气爆炸性气体危险环境区设计时，则电气设备需选用满足ⅡCT1分级分组的要求，其防爆结构应符合规范的规定，满足ExⅡCT1要求的本质安全型、隔爆型、增安型、无火花型等设备类型，其价格差别也很大。GB-01没有具体规定。
蓄电池室一旦确定为氢气爆炸性危险环境，所有电气设备及照明灯具、布线系统的选择和施工均应执行GB-的相关规定。爆炸性危险环境目前能选择到适用的照明灯具、电缆（线）和连接器的，GB-01仅要求“室内照明线应采用穿管暗敷，室内不得装设插座”显然是不妥。
4）按照工程设计、施工、验收的流程，GB-01以强制性条文规定逆向规范设计不妥。没有设计阶段的爆炸性气体危险区域划分，防爆电器的选型、安装位置的确定，无法依据设计文件的要求来规范施工和验收。
5）行业标准DL/T-第9.1.10条规定的蓄电池室“室内的通风换气量应按保证室内含氢量（按体积计算）低于0.7%，含酸量小于mg/m3计算。通风电动机应为防爆式。”；在“条文说明”中解释到：“由于阀控式密封铅酸蓄电池在正常工作时，可保持气密和液密状态，基本上没有氢气和酸气逸出，但是，为防止万一有氢气泄漏，故仍需要有良好的通风和采用防爆式电机。当然，采暖通风专业根据排氢量的减少，可适当简化设计。”，表明选用防爆设备的出发点是“防止万一”。“防止万一”是无止境的，不设防与过度设防均是不对的，用钱和物质投入来支撑未必可靠、合理。应通过综合技术经济比较选择安全可靠、经济合理、节能的原则对阀控式密封铅酸蓄电池室的爆炸性气体环境危险区域划分进行精细化设计。GB-01强制性条文规定在其条文说明中虽没涉及上述内容，笔者妄自怀疑有上述用意的因素。
6）国内建成的数据中心的A级、B级机房广泛采用UPS、UPS的电源配电系统、UPS输出配电系统、阀控式密封铅酸蓄电池组布置在UPS机房，且UPS、配电装置均未采用非防爆型和防爆设计。依据GB-和GB/T.14-对爆炸危险环境危险区域划分的规定及运行方式，其UPS机房可划为非爆炸危险区域，按非防爆来进行电力装置的设计。从机房的运行实践表明了UPS机房的该做法证明在经济技术方面看是合理的、是可行的。虽不符合GB-01强制性条文的规定，因采取了对爆炸性气体环境的评估措施，所以对没有执行该条有信心。
五、结语
GB-01第3.0.7条与现行防爆设计标准的规定存在差异。本文通过对阀控式密封铅酸蓄电池工作原理的分析和学习GB-等现行国家标准划分爆炸危险区域、简介蓄电池特性、现行国家标准对蓄电池室要求通风良好的规定，探讨蓄电池室的爆炸危险环境，提出对数据中心UPS机房的蓄电池是否执行GB-01第3.0.7条强条规定的看法，供参考。
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作者信息：
李道本，北京土木建筑学会电气设计委员会，北京电气设计技术协作及情报交流网，副主任委员。
文章发表于《建筑电气》年第8期
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