Ponemon研究所對北美63家數(shù)據(jù)中心的調(diào)查報告表明,設(shè)備故障中UPS電池故障是導致多數(shù)數(shù)據(jù)中心宕機的“罪魁禍首”,有65%的受訪者認為UPS電池故障是導致數(shù)據(jù)中心宕機的首要原因;根據(jù)報告數(shù)據(jù),除去人為和天災(zāi),2016年設(shè)備故障導致數(shù)據(jù)中心宕機的原因中,UPS系統(tǒng)故障占比最大,占到了25%;而在UPS故障原因中,鉛酸蓄電池是導致故障主要原因,概率高達50%。

在鉛酸蓄電池的眾多安全隱患中,各種原因?qū)е碌幕馂?zāi)始終扮演著“殺手一號”角色,所以如何有效的發(fā)現(xiàn)和防范電池起火事故也一直是研究的熱點。圖1為蓄電池漏液起火的場景。

酸蓄電池工作原理

鉛酸蓄電池是一個能量儲存與轉(zhuǎn)換的裝置,放電時,電池將化學能直接轉(zhuǎn)換為電能;充電時則將電能直接轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來。其充放電過程都是由化學反應(yīng)來完成的,鉛酸蓄電池的電化學反應(yīng)式如下:

從上面反應(yīng)式可看出當蓄電池充電完成后,若再繼續(xù)充電則會導致電解液中的水份電解,而電解水的結(jié)果將使得電池正極部分產(chǎn)生氧氣,負極的部分產(chǎn)生氫氣,如果這些氣體不能重新復合,電池就會失水干涸。因此是需要定期補水維護的。而閥控式密封鉛酸蓄電池無需加水維護,最重要的關(guān)鍵在于電池能在電池內(nèi)部氧復合,同時抑制氫氣的析出。

蓄電池起火的原因

蓄電池間連接松動

根據(jù)能量計算公式:Q=I2RT(Q代表能量,I代表電流,R電表電阻,T代表時間)可知,蓄電在放電的過程中會放出一定的熱量,放電電流和電阻值越大,放出的熱量也就越大。電池間連接松動會導致接觸電阻增大,并且會隨著時間的推移而加大。當使用蓄電池進行輸出時,電流經(jīng)過該部位會引起發(fā)熱,流過的電流越大,持續(xù)時間越長,發(fā)熱量就會越多,溫度就會不斷升高。當溫度上升到一定程度時,就會引起電池端子發(fā)熱導致外殼材料炭化,ABS冒煙起火。連接松動引起的火災(zāi)場景見圖2。

圖3是某高校機房單組中4節(jié)蓄電池的某次放電時的溫度時間曲線。蓄電池的電池配置電壓為528V,每組44節(jié),單節(jié)電池規(guī)格為12V100Ah,投運時間為1年。從圖中可以看出,從放電開始第39節(jié)蓄電池的溫度就急速上升,當放電1h的時候溫度已經(jīng)接近80℃。放電后經(jīng)檢查,第39節(jié)電池存在連接松動的問題。由此可見連接松動確實導致電池異常升溫,存在火災(zāi)隱患。

蓄電池熱失控

蓄電池的熱失控指的是電池過充或環(huán)境溫度過高導致充電電流過大,產(chǎn)生的熱量將使電池進一步升溫。電池的溫度升高會導致電池的內(nèi)阻下降,內(nèi)阻的下降又加強了充電電流。溫度升高和電流的增大互相促進,使電池內(nèi)部溫度可以高達120℃以上,軟化ABS外殼(ABS軟化點90℃左右),從而發(fā)生電池的膨脹,漏液,起火。

需要注意的是正常浮充的電池在壽命中后期也可能會發(fā)生熱失控,原因是充電末期電池會發(fā)生電解水反應(yīng),而氧復合的效率并不能達到100%,不斷的電解液損耗會導致隔板的飽和度下降,這會增加密封蓄電池的氧復合的電流,不但增大電池的浮充電流,加速了電池的發(fā)熱和進一步的失水,并最終引發(fā)熱失控。所以說浮充本質(zhì)上也是一種過充電。

如果電池出現(xiàn)過充電,電池內(nèi)部電解水的速率將會加快,這些氣體來不及被吸收,會不斷積累,當電池內(nèi)部壓力超過開閥壓后排出氫氧混合易燃易爆氣體,如果站點密封較好,在外部有火花時即容易引燃引爆。

蓄電池漏液

鉛酸蓄電池漏液指的是電池在使用過程中,電圖2連接松動引起的火災(zāi)池表面有電解液滲出。蓄電池漏酸的原因一般可分為三類:

①生產(chǎn)過程中的結(jié)構(gòu)性密封損傷,如極柱和外殼焊接或粘接面存在未能及時發(fā)現(xiàn)的缺陷。在使用中產(chǎn)生漏液現(xiàn)象;

②運輸或者安裝過程中的不當操作,引起的蓄電池外殼顯性或者隱形的損壞,并而未及時排除;

③充電設(shè)置不合理,使電池組長期過充電導致極板生長,外殼破壞,導致的漏液。根源還是過充電。

圖4為蓄電池漏液的場景。

一般來說,UPS的接地系統(tǒng)應(yīng)符合IEC60346標準關(guān)于低壓接地系統(tǒng)的規(guī)定。這就意味著對于大部分UPS來說,電池組的中心線和電池架都是接地的。所以當電池組中有電池出現(xiàn)漏液,并且漏出的電解液流到電池架時,電池組間就會形成短路從而引發(fā)事故。

故障的檢測與預(yù)防

對于以上故障,比如電池的明顯漏液和電池連接的松動可以通過外觀的查看和定期巡檢發(fā)現(xiàn)。但這些手段終究不能再故障發(fā)生的時候就立即發(fā)現(xiàn),所以很多時候發(fā)現(xiàn)問題之時可能也是事故發(fā)生之日。

那么有沒有辦法從根源上進行預(yù)測,或者有效延緩呢?對于連接條總動,可以通過電池的連接電阻和溫度變化來檢測。對于熱失控,從上面的原因分析我們可以得出一個結(jié)論:引發(fā)這些故障的最重要的一個原因就是過充電。如果能延緩或者杜絕過充電的發(fā)生,那么也就意味著可以做到有效的延緩和提前預(yù)防事故的發(fā)生。而對于電池漏液,可以通過監(jiān)測電池輸出對地的絕緣性能和電池漏電檢測來判斷。

1蓄電池間連接松動

圖5中蓄電池是某運營商分公司單組24節(jié)蓄電池的實時采集的電池正常運行時的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。從圖中可以看出,蓄電池組單節(jié)電池的內(nèi)阻屬于正常范圍,且一致性較好,內(nèi)阻值均在0.2～0.3mΩ之間。

電池投運一段時間后,如果連接條松動,會引起蓄電池的接觸電阻增大,勢必也會引內(nèi)阻的測試值增大。為驗證內(nèi)阻(包括連接內(nèi)阻)與連接松動的關(guān)聯(lián)關(guān)系,將#21電池的螺母擰松后再次測試電池內(nèi)阻,測試結(jié)果如圖6所示。

#21蓄電池內(nèi)阻前后的變化之大,明確了內(nèi)阻(包括連接內(nèi)阻)與連接松動的直接關(guān)系。由此可見,通過監(jiān)控電池之間的連接電阻,并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析判斷,可以判斷電池是否有連接松動的風險,預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

2蓄電池熱失控

蓄電池的熱失控主要是由于電池的過充和高溫引起的,所以只要能夠避免電池過充以及高溫就能有效的防止電池發(fā)生熱失控。

1、蓄電池智能管理系統(tǒng)7x24h實時監(jiān)控蓄電池的狀態(tài),當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電池的浮充電壓過高或者均充時間過長時都會產(chǎn)生相應(yīng)的告警推送給相關(guān)運維人員,運維人員根據(jù)系統(tǒng)的維護指引進行相應(yīng)的處理,可以有效的防止電池過充電;

2、通過蓄電池智能管理系統(tǒng)實現(xiàn)了精細化的充電管理,系統(tǒng)需準確測量并計算電池的充放電量,當系統(tǒng)檢測到電池充滿電時,自動停止充電,避免造成電池組過充電。對于浮充場景,在電池不放電情況下,系統(tǒng)應(yīng)定期補充電來補償電池因自放電而損失的電量。當電池充滿電后,系統(tǒng)自動終止充電,避免因持續(xù)浮充電造成的過充電,使得電池組始終保持其最佳的狀態(tài),并且有效延長了電池使用壽命;

3、蓄電池智能管理系統(tǒng)通過對電池充電進行智能管理。當電池接近充滿的狀態(tài)下,如果檢測到環(huán)境溫度出現(xiàn)異常升高的現(xiàn)象,系統(tǒng)下發(fā)指令并通過智能控制模塊使電池進入休眠模式(無充電電流),當電池溫度下降到正常狀態(tài)后,再繼續(xù)對電池進行充電。這樣可以有效的防止溫度和電流的互相促進形成的惡性循環(huán),從而杜絕熱失控的發(fā)生。

3蓄電池漏液電氣檢測

隔離輸入型UPS

常用的UPS拓撲結(jié)構(gòu)包含一個輸入隔離變壓器,用于調(diào)節(jié)整流器的輸入電壓,并將整流器與電源隔離。這種設(shè)計的優(yōu)點是UPS電池基本上是與地隔離的,所以在直流電源通路與地之間沒有電氣連接。圖7為帶隔離變壓器的UPS輸入電路圖。

對于此類隔離輸入型的UPS,由于直流電源通路與地之間沒有電氣連接,所以正常情況下正、負直流母線對地的絕緣電阻應(yīng)為無窮大;而如果當直流電路中發(fā)生接地故障時,而不管在系統(tǒng)直流回路中的哪一點發(fā)生接地故障,都會引起系統(tǒng)母線絕緣電阻的降低。

表1為實驗室搭建的隔離輸入型UPS環(huán)境,漏液前后系統(tǒng)母線絕緣電阻值和漏電流值的變化。

所以可以對直流輸出與地的絕緣電阻進行檢測,通過正負極母線對地絕緣性能的變化,判斷是否發(fā)生電池漏液或者其他接地故障。目前對絕緣電阻檢測的方法有平衡橋和非平衡橋檢測法。

非隔離輸入型UPS

非隔輸入型UPS的電路中不包含隔離變壓器,整流器無需對輸入電壓進行調(diào)節(jié),并且不需要將整流器與電源隔離。與具有輸入隔離變壓器的UPS相比,該設(shè)計的優(yōu)點是具有更高的效率和更低的成本。這種設(shè)計的主要缺點之一是缺乏輸入隔離變壓器在UPS電池上提供電氣接地參考,從而使直流電路與地之間是一種非隔離的狀態(tài)。圖8為非隔離輸入的UPS的電路圖。

對于非隔離型UPS,直流電路與地之間處于非隔離的狀態(tài),所以當直流電路中出現(xiàn)接地故障時,正負極母線對地的絕緣電阻也不會發(fā)生太大的變化,所以難以根據(jù)絕緣電阻的變化來判斷電路是否發(fā)生了接地故障。對于此類UPS應(yīng)采用正負母線電流求和檢測電路對接地故障進行檢測。所謂直流電流求和檢測即通過霍爾傳感器檢測正極母線和負極母線直流電流疊加之和,正常情況下,正極母線和負極母線電流之和應(yīng)為零。若電路中出現(xiàn)接地故障,則電池母線和故障點間會形成回路從而造成漏電現(xiàn)象,此時正負極母線電流之和不為零;

表2為實驗室搭建的非隔離輸入型UPS環(huán)境,漏液前后系統(tǒng)母線絕緣電阻值和漏電流值的變化。

所以通過檢測正負母線電流之和可以有效的檢測直流電路中是否存在著電池漏液或者其他接地故障。

其他預(yù)防措施

當然,任何的檢測手段都有一定的局限性,另外比如電池漏液故障也具有其復雜性(不同程度,不同位置,不同類型,不同時期都會導致不同的事故現(xiàn)象和電氣特性),如何避免安全事故,做到萬無一失,還需要從各個方面綜合考慮和強化,比如:

•加強制造過程的工藝控制和檢測,提高產(chǎn)品質(zhì)量控制水平;

•安裝運輸過程輕拿輕放,安裝過程中仔細檢查外觀有無漏液現(xiàn)象,及時清理更換漏液電池;

•在電池架上增加漏液托盤保護;

•定期的人工巡查。

結(jié)束語

通過對鉛酸蓄電池起火原因的分析,可以通過以下途徑對火災(zāi)隱患進行檢測與預(yù)防:

1、蓄電池連接松動主要是由于安裝時沒有緊固或過緊、或是電池使用一段時間后因為連接條金屬的熱脹冷縮造成。當蓄電池放電或較大電流充電時,因連接松動造成連接部件間電阻過大、熱量積累、溫度升高,進而引起電池塑料外殼的起火。對于蓄電池連接松動,需要監(jiān)測蓄電池接線端子處的溫度情況,同時監(jiān)測電池的連接內(nèi)阻,當接線端子處溫度發(fā)生變化或者連接內(nèi)阻發(fā)生變化時,及時發(fā)出告警,防止電池火災(zāi)的發(fā)生;

2、對于蓄電池熱失控的預(yù)防,需要對電池進行精細化的充電管理,通過充電管理避免蓄電池日常浮充時以及異常高溫時的過充電,從而避免故障的發(fā)生;

3、對于各類UPS蓄電池漏液的檢測,可以按表3進行監(jiān)測。