Ponemon研究所對北美63家數據中心的調查報告表明,設備故障中UPS電池故障是導致多數數據中心宕機的罪魁禍首,有65%的受訪者認為UPS電池故障是導致數據中心宕機的首要原因;根據報告數據,除去人為和天災,2016年設備故障導致數據中心宕機的原因中,UPS系統故障占比最大,占到了25%;而在UPS故障原因中,鉛酸蓄電池是導致故障重要原因,概率高達50%。

在鉛酸蓄電池的眾多安全隱患中,各種原因導致的火災始終扮演著殺手一號角色,所以如何有效的發現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換的裝置,放電時,電池將化學能直接轉換為電能;充電時則將電能直接轉化為化學能儲存起來。其充放電過程都是由化學反應來完成的,鉛酸蓄電池的電化學反應式如下:

從上面反應式可看出當蓄電池充電完成后,若再繼續充電則會導致電解液中的水份電解,而電解水的結果將使得電池正極部分出現氧氣,負極的部分出現氫氣,假如這些氣體不能重新復合,電池就會失水干涸。因此是要定期補水維護的。而閥控式密封鉛酸蓄電池無需加水維護,最重要的關鍵在于電池能在電池內部氧復合,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,電流經過該部位會引起發熱,流過的電流越大,持續時間越長,發熱量就會越多,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熱導致外殼材料炭化,ABS冒煙起火。連接松動引起的火災場景見圖2。

圖3是某高校機房單組中4節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,單節電池規格為12V100Ah,投運時間為1年。從圖中可以看出,從放電開始第39節蓄電池的溫度就急速上升,當放電1h的時候溫度已經接近80℃。放電后經檢查,第39節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,存在火災隱患。

蓄電池熱失控

蓄電池的熱失控指的是電池過充或環境溫度過高導致充電電流過大,出現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阻下降,內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),從而發生電池的膨脹,漏液,起火。

要注意的是正常浮充的電池在壽命中后期也可能會發生熱失控,原因是充電末期電池會發生電解水反應,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,這會新增密封蓄電池的氧復合的電流,不但增大電池的浮充電流,加速了電池的發熱和進一步的失水,并最終引發熱失控。所以說浮充本質上也是一種過充電。

假如電池出現過充電,電池內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,當電池內部壓力超過開閥壓后排出氫氧混合易燃易爆氣體,假如站點密封較好,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生產過程中的結構性密封損傷,如極柱和外殼焊接或粘接面存在未能及時發現的缺陷。在使用中出現漏液現象;

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的接地系統應符合IEC60346標準有關低壓接地系統的規定。這就意味著關于大部分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事故。

故障的檢測與預防

關于以上故障,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現。但這些手段終究不能再故障發生的時候就立即發現,所以很多時候發現問題之時可能也是事故發生之日。

那么有沒有辦法從根源上進行預測,或者有效延緩呢?關于連接條總動,可以通過電池的連接電阻和溫度變化來檢測。關于熱失控,從上面的原因分析我們可以得出一個結論:引發這些故障的最重要的一個原因就是過充電。假如能延緩或者杜絕過充電的發生,那么也就意味著可以做到有效的延緩和提前預防事故的發生。而關于電池漏液,可以通過監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節蓄電池的實時采集的電池正常運行時的內阻數據。從圖中可以看出,蓄電池組單節電池的內阻屬于正常范圍,且一致性較好,內阻值均在0.2～0.3m之間。

電池投運一段時間后,假如連接條松動,會引起蓄電池的接觸電阻增大,勢必也會引內阻的測試值增大。為驗證內阻(包括連接內阻)與連接松動的關聯關系,將#21電池的螺母擰松后再次測試電池內阻,測試結果如圖6所示。

#21蓄電池內阻前后的變化之大,明確了內阻(包括連接內阻)與連接松動的直接關系。由此可見,通過監控電池之間的連接電阻,并對采集到的數據進行分析判斷,可以判斷電池是否有連接松動的風險,預防火災的發生。

2蓄電池熱失控

蓄電池的熱失控重要是由于電池的過充和高溫引起的,所以只要能夠防止電池過充以及高溫就能有效的防止電池發生熱失控。

1

蓄電池智能管理系統7x24h實時監控蓄電池的狀態,當系統發現電池的浮充電壓過高或者均充時間過長時都會出現相應的告警推送給相關運維人員,運維人員根據系統的維護指引進行相應的處理,可以有效的防止電池過充電;

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通過蓄電池智能管理系統實現了精細化的充電管理,系統需準確測量并計算電池的充放電量,當系統檢測到電池充滿電時,自動停止充電,防止造成電池組過充電。關于浮充場景,在電池不放電情況下,系統應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,系統自動終止充電,防止因持續浮充電造成的過充電,使得電池組始終保持其最佳的狀態,并且有效延長了電池使用壽命;

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蓄電池智能管理系統通過對電池充電進行智能管理。當電池接近充滿的狀態下,假如檢測到環境溫度出現異常升高的現象,系統下發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后,再繼續對電池進行充電。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,從而杜絕熱失控的發生。

3蓄電池漏液電氣檢測

隔離輸入型UPS

常用的UPS拓撲結構包含一個輸入隔離變壓器,用于調節整流器的輸入電壓,并將整流器與電源隔離。這種設計的優點是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。

關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為無窮大;而假如當直流電路中發生接地故障時,而不管在系統直流回路中的哪一點發生接地故障,都會引起系統母線絕緣電阻的降低。

表1為實驗室搭建的隔離輸入型UPS環境,漏液前后系統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節,并且不要將整流器與電源隔離。與具有輸入隔離變壓器的UPS相比,該設計的優點是具有更高的效率和更低的成本。這種設計的重要缺點之一是缺乏輸入隔離變壓器在UPS電池上供應電氣接地參考,從而使直流電路與地之間是一種非隔離的狀態。圖8為非隔離輸入的UPS的電路圖。

關于非隔離型UPS,直流電路與地之間處于非隔離的狀態,所以當直流電路中出現接地故障時,正負極母線對地的絕緣電阻也不會發生太大的變化,所以難以根據絕緣電阻的變化來判斷電路是否發生了接地故障。關于此類UPS應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為零。若電路中出現接地故障,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環境,漏液前后系統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象和電氣特性),如何防止安全事故,做到萬無一失,還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,提高產品質量控制水平;

•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象,及時清理更換漏液電池;

•在電池架上新增漏液托盤保護;

•定期的人工巡查。