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。
　　
　　1 鉛酸蓄電池工作原理
　　
　　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產生氧氣,負極的部分產生氫氣,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,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。
　　
　　2 蓄電池起火的原因
　　
　　(1)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。
　　
　　(2)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,產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。
　　
　　需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,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,加速了電池的發熱和進一步的失水,并終引發熱失控。所以說浮充本質上也是一種過充電。
　　
　　如果電池出現過充電,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,如果站點密封較好,在外部有火花時即容易引燃引爆。
　　
　　(3)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。在使用中產生漏液現象;
　　
　　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標準關于低壓接地系統的規定。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。
　　
　　3 故障的檢測與預防
　　
　　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?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論:引發這些故障的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。而對于電池漏液,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0.2～0.3mΩ之間。