布鲁塞尔一热电厂发生火灾，警惕：UPS供电系统危险的“定时炸弹”!!!

沃姆韦尔2017

布鲁塞尔一热电厂发生火灾，警惕：UPS供电系统危险的“定时炸弹”!!!

一、布鲁塞尔一热电厂发生火灾 或致轻微有毒气体释放

　　图片来源于网络

　　据比利时媒体报道，当地时间11日，布鲁塞尔南部一热电厂发生锂电池组着火事故。由于事故可能导致轻微有毒气体释放，当地政府建议附近居民关闭门窗，并临时关闭了热电厂附近的道路。据报道，目前火势已得到控制。(央视记者刘婵娟)
来源：央视新闻

二、UPS供电系统电池组，可能变成危险的“定时炸弹”!!!

UPS供电系统是满足数据中心供电质量的核心部分，而蓄电池又是整个系统中最重要的组成之一，是整个供电系统的“最后一道屏障”，在UPS系统的故障中，与蓄电池有关的原因占30%以上。本文从大型数据中心蓄电池规划与应用角度出发，借鉴国内外数据中心行业经验教训，探讨蓄电池规划设计和实际应用中遇到的几个问题和痛点，数据中心蓄电池安全大作战！！！

数据中心供电并非万无一失，99.99%的供电可靠性意味着每年可能发生59分钟的停电事故，故停电所造成的经济损失巨大，那么要让数据中心稳定运行，必须对UPS蓄电池进行定期的管理和维护，因为常、长年运行的数据中心蓄电池组，可能变成危险的“定时炸弹”！
数据中心频频出现宕机或者UPS断电，让数据中心的故障应急团队频冒冷汗，也让数据中心的“体检”成为必要。我们都知道在数据中心八大系统中，最为可怕的就是“电老虎”，避免“电老虎”发飙，可靠稳定的供电系统便成了数据中心稳定运行的基础要求。而蓄电池作为UPS的关键组成部分，为数据中心提供电力的最后保障，无疑是UPS电源中的最后一道保险，其状态的好坏直接关系到UPS时否正常工作。

随着数据中心行业的快速发展，原有数据中心动力电源的维护也成了各运维团队的重要课题之一。如当前有些数据中心已经运行了或者工作好几年，而这些免维护铅酸电池组为保证数据中心每日稳定且不间断的供电起到了中流砥柱的作用。虽说叫免维护，但并不等于100%不出状况。

如果一旦有蓄电池失效出现，就会劣化扩散，进而传染整个电池组；蓄电池劣化还会因为局部高内阻造成过热，严重可能诱发着火甚至爆炸。这绝非耸人听闻，有图有真相！（吓死宝宝了）

漏液腐蚀、内部短路、极板硫化、于涸、变形（失压/鼓包），蓄电池问题多多！

蓄电池失效带来的灾难性后果是不可预料的损失及危险存在，相当于一个定时炸弹！

着火

爆炸

数据中心蓄电池规划与应用中的痛点及展望
（一）电池监测系统的应用
近年来国内数据中心行业参考、学习了很多国外先进的理念和技术，但是电池监测系统的应用还不完善，很多已建成机房的电池系统没有监测设备或者监测数据不完善，存在很大的安全隐患。从最近几起机房电池火灾爆炸事故可以看出，电池监测系统早期报警，防患未然的重要性。
如果电池故障引起UPS系统宕机，关键业务中断，将产生很大的政治经济损失，来自行业的调查机构显示：金融行业的数据中心每宕机一小时的损失为1495134美元，通讯行业的数据中心每宕机一小时的损失为2066245美元。所以在数据中心规划设计及应用中，对电池监测系统的设置应引起足够的重视。

（二）铅酸蓄电池寿命普遍在5~6年，好的在7~8年。如何更好的与数据中心生命周期匹配，从而降低总的应用成本，是摆在数据中心行业人士面前的一道难题，可能的两条途径：

1.依靠技术的进步。蓄电池技术的革命一定会深刻地影响数据中心行业未来的发展，大容量、长寿命电池技术的研发，需要研究数据中心行业特点，与数据中心生命周期对接，从而更符合数据中心行业的需要。

2.科学的运维，监测。通过对蓄电池系统科学的运维管理，监测维护，及时发现故障隐患，从而客观上延长了蓄电池的使用寿命，降低了总体拥有成本。

（三）在UPS及电池厂商二次深化过程中，电池系统直流电缆及连接条等附件的选择是否满足放电要求，安装质量是否满足要求，这些如果处理不好，可能成为事故的故障点。
因为各厂家UPS技术的不同，一般在项目中标后会有二次深化的过程，其电池系统电缆及附件等往往成套由UPS厂商提供，这样做的好处是工程的接口少，有利于责任的划分。不利之处在于：其配套选型能力及附件质量完全依靠其技术能力和信誉，顶尖厂家相对更可靠。已经有因电缆及附件问题导致火灾事故的情况，需要引起足够的重视。

（四）电池对于环境的耐受性提高，有利于数据中心降低能耗。
目前，铅酸蓄电池对于环境温度的要求还是比较高的，其最佳工作温度为20~25 ℃。有关资料显示，当环境温度在25℃时，温度每升高6~10 ℃，阀控蓄电池的寿命缩短一半，电池循环寿命缩短。当环境温度降低时，电池可用容量迅速降低。高温型阀控电池的研究为进一步降低能耗带来了曙光。
目前在野外，通信基站机房已经有应用高温型阀控电池的案例。未来随着高温型电池制造成本的降低，再考虑对空调需求的降低所产生的节能效益，相信高温型电池技术会是未来数据中心采用的一种技术方向。

（五）目前规划设计的大型数据中心电池间面积，据不完全统计, 约占总建筑面积的3%~10%，因大型数据中心建筑面积较大，所以绝对数量不少。
对于越来越多的大型数据中心项目而言，机房面积可以说是寸土寸金，客户希望最大化的提高机柜数量，基础设施的占地尽量小。下图为某大型数据中心案例的电池间布置，占据了一整层的面积。在这里我们不着重探讨电池间的布置方案，仅从电池间面积的绝对数量及与总建筑面积之比，就可以感受到UPS蓄电池系统对数据中心工艺平面规划设计的重要影响。

数据中心蓄电池规划设计水平的提高，依赖于蓄电池技术的创新提高。目前多数数据中心采用阀控铅酸蓄电池，随着电池技术的发展，比如磷酸铁锂电池技术，由于寿命长、耐高温、体积小、无污染等优点，相比传统铅酸蓄电池技术，更能体现“节能”、“节材”、“节地”等节能减排需求。随着新型电池性价比提高，其尺寸和占地面积越来越小，将会对未来数据中心的规划设计产生革命性的影响，对IDC行业尤甚。

总结：
数据中心行业正经历着前所未有的建设热潮，在这样的大背景下，本文抛砖引玉，从大型数据中心蓄电池规划与应用角度出发，探讨与总结了蓄电池规划设计和实际应用中遇到的几个问题和痛点，同时也为蓄电池新技术在数据中心的应用提出新的思考和展望。如果本文中某个观点能为大家带来启发，就达到了本文的目的。数据中心电气技术如浩瀚海洋，需要不断学习，拙文恐有欠妥之处，望不吝指正，共同提高。
来源：机房百科

三、电池柜(架)接地问题——电池事故引发的故障分析

1 事故发生

　　①XX企业的二台30kVAUPS,电池是12V/65Ah,其中一台发生电池起火冒烟。烟雾非常大,整个配电室全是烟雾,电气工作人员带防毒用具进入配电室进行操作,因未见明火,消防队到现场没有处置,由电气工作人员进行操作,用风机排烟。现场情况是UPS转旁路工作,有几块电池烧坏。图1为电池烧坏的场景。

　　UPS经过检查,有过载和变换器故障报警。经过测试后,启动UPS运行正常,UPS设备没有损坏。电池柜分为五层,其中四层放置电池,一层放置电池开关。电池组检查,共有4块电池损坏,发生在电池柜内同一层(第三层)。设备投入生产几个月,现场分析,电池底部开裂使电解液流出造成电池回路与地短路。
　　②某科研单位的一台200kVAUPS,一块电池爆炸,造成UPS内部起火,将UPS烧坏。

2 事故分析

　　在UPS设计和施工安装时,通常是将电池架或电池柜的架体与地线连接,以保证电气安全。可是当电池外壳开裂电解液流出时,会造成电池对地线构成回路,致使发生电池组和UPS故障,甚至严重故障。
　　当电池漏液不严重时,会造成整流器电流过载,整流器关闭,逆变器停机,UPS转旁路工作,不会造成断电。一般情况下清除故障,并且更换新电池后,设备可以恢复正常工作。但电池漏液严重,并且电池内部极板、板栅出问题,造成对地的短路,就会造成大事故。
　　下面按不同电路和拓扑结构,对造成事故的因果关系进行分析。

　　(1) SCR结构整流器
　　SCR结构整流器的原理图如图2所示。

　　当电池漏液严重,并且电池内部极板、板栅出问题,造成对地短路,发生因电流太大致使整流器的SCR被击穿,无法关闭回路,引起交流电流流入直流系统,造成电解电容器(Cx)损坏,并使电解电容器的电解液喷出,因电解电容器中电解液的导电性引起UPS内部电气的短路,故障扩大使其损毁,严重时设备内部发生着火。
　　SCR整流器(相控),都是角形工作方式,当全波整流时，标准电压380V整流得到540V左右的直流电压。而当电池组中间某一点与地线短路，增加新的电流回路(如图2中的实线电流所示)，则整流器的接线方式就变成星形工作方式，而整流器输出为622V左右的直流电压，这种升压的结果将造成电池组和电解电容器过压，进而引起严重的过电流。SCR击穿后将无法关闭整流器，并且交流电流会流入直流电路中，这就会使电池因过电压充电而损坏甚至起火或爆炸。直流电解电容器也会因电压升高而损坏，并使电解电容器的电解液喷出，因电解电容器中电解液的导电性引起UPS内部电气的短路,故障扩大，致使其损毁,更严重时设备内部着火。

　　(2) IGBT结构整流器
　　IGBT结构整流器的原理图如图3所示。

　　图中TB1、TB2、TB3构成整流电路,C1x和C2x为滤波电容器,提供直流供电,而TB4构成一个Buck/Boost电路结构,电路在市电正常时供给电池组充电(电路工作在Buck方式)。当市电故障时,电池组向C1x和C2x供电,并保障直流母线电压的稳定(电路工作在Boost方式)。
　　在市电正常工作情况下,电池漏液严重并有电池内部极板、板栅出问题,造成对地短路时,增加了新的电流回路(如图3中的实线电流所示),就会有大电流经过TB4(电路工作在Buck方式),LM检测到超过设定电流时,将会通过控制逻辑电路关闭TB4中IGBT的工作,使其构不成电流的回路。从而降低电池组和UPS设备损坏的程度。
　　在电池漏液严重造成对地短路时,因TB4的二极管的存在,电池组与逆变器及滤波回路放电回路构成电流通路,因此在一些UPS制造商设计时考虑到此,设计输入/输出及电池开关时采用接触器或空气开关安装脱扣器,便于电路异常时,分断回路,保护设备的安全。在电路中有异常时,有效地转换到旁路工作,不使后端负荷设备断电。这样的设计可以对UPS进一步进行保护。

3 电池架或电池柜安装问题

　　为电气和人身安全考虑,所有的电气设备外壳均接地线。下面提供几种电池架或电池框的安装方式。处理好电池安装及运行维护保养的工作很重要。
　　①早在上世纪70年代引进的UPS配套的电池柜,每四块电池固定在一个电池托盘(绝缘材料制成)。这样,电池致使产生漏液也不会造成对地短路的问题。
　　②XX国大使馆的UPS电池柜的每层托板为绝缘材料制成,电池不与金属架体接触,有效地解决了电池漏液所造成的对地短路问题。
　　③多数供应商和一些使用者,因各种原因将电池直接放在铁架上,这样一来,电池漏液或电池的短路开裂,会使电池组的部分电极与地线连接,造成事故。
　　④也有电池架体上放置绝缘材料或架体不接地线。

4 结束语

　　随着时代的进步,电路的设计更加先进全面,但像电池漏液与地构成短路这种小概率的事故也要重视。否则,发生事故会造成很大的损失。为此,提出如下建议:
　　①在设计方案时,把这些因素考虑进去,可以从绝缘和电气控制保护等多种方法并用,特别是大型数据中心,更要重视;
　　②电池的老化是事故的主因之一,控制好电池工作的环境温度,使电池不要因温度过高而提前老化,订好制度提前进行更换;
　　③重视运行保障工作,对所用设备功能了解清楚,电池底部的漏液不易发现,细小的变化会引发大的故障。

四、现阶段铅酸蓄电池使用中存在的问题以及解决方案……

随着不间断电源在数据中心、通信基站等领域的大量应用，大量阀控铅酸蓄电池（VRLA BATTERY）用于备电，但是使用过程中难免产生以下问题：
    （1）由于个别电池的老化，引起整组电池出现容量下降、备用时间不足；
    （2）目前UPS对蓄电池的管理和监测，只监测整组电池电压和电流参数，无法定位个别故障电池；
    （3）已采用单体电池在线监测的站点，单凭电池浮充电压、内阻数据，不能有效定位出故障电池；
    （4）在线放电容量测试不易实施，且存在一定风险；
    （5）离线容量测试，操作过程更加费时费力；
    （6）容易出现电池故障短路，最终引发火灾事故。

如何避免事故发生、提前预警蓄电池故障、确保不间断电源系统的可靠、安全运行，是摆在电源维护工作中的重要课题！
■目前，不间断供电设备维护普遍存在的问题是：
（1） 现有设备维护工作量大；
（2） 维护人员对UPS和蓄电池的特性掌握相对较少，故障诊断和维护力量亟待提高。
（3） 部分UPS配套蓄电池采用箱体固定，电池排列紧密，平时无法直接观察，打开箱体检查也非常困难。

鉴于这一现状，有必要引入先进的电池监控管理手段，为设备维护人员提供有效帮助，减少维护工作量，提供预警判断及维护水平。

■解决方案
通过引入蓄电池智能储电管理在线监测BMS系统，对蓄电池运行状态、使用状况、健康状态进行实时监控和有效管理。
实现以下功能：
1） 确保系统工作可靠性，及早发现故障与落后电池，防患于未然；
2） 保障各单体蓄电池充电电压、电流及温度等运行参数的合理性；
3） 通过对于各单体蓄电池的在线监测，准确判断和提前预警蓄电池组中的落后蓄电池；
4） 对于蓄电池组及各单体电池的报警状态进行判断并记录；
5） 依靠本公司BMS系统及组网大数据平台，实现对于蓄电池参数的远程监控和管理。
6） 结合中高级UPS的放电自检功能、或者配备远程控制放电模块、或者手动操作，定期对电池组进行市电正常下的浅放电测试，不仅可以精确甄别和提前发现故障电池，而且可以对长期浮充蓄电池组进行周期性的一致性维护。（部分整理自：锅炉人）