摘要：随着储能系统广泛应用，UPS电源系统和电池储能设施火灾事故呈多发态势。为加强此类火灾防控，以某地城市数据中心UPS电源系统火灾事故为对象，结合现场勘验、调查询问、电子数据及视频分析、现场测试的调查情况，综合认定起火原因。全面复原分析了UPS电源系统在设计施工、维护管理和应急处置方面存在的消防安全风险，并从产品本质安全、建设应用和监测管理、安全处置等方面提出针对性的防控措施和意见建议。

关键词：UPS电源系统；火灾危险性；火灾调查；防控措施

UPS电源系统被广泛应用于智慧城市、通信、军事、医疗、金融等行业数据中心，为其负载提供稳定可靠不间断电能。数字经济发展助推数据中心建设，相配套的UPS电源的容量不断扩容，火灾危险性也随之增大。近年来，UPS电源系统火灾频发，深入调查发现，不仅存在电池模组产品本质安全的问题，也存在UPS电源系统的设计不合理、施工不规范、监测维护不到位等问题，火灾发生后的应急处置也往往不够科学。笔者以一起数据中心UPS电源火灾为对象，科学认定起火原因，分析UPS电源系统消防安全风险，提出针对性的防控措施和意见建议。

一、火灾基本情况

1.1 火灾发生情况

经调查火灾发生当日，建设方正组织施工、监理等单位进行工程验收预检查，参与预检人员确认起火后，立即报警。该起火灾过火面积约178㎡，造成一层电池室内蓄电池组及设施、二层电子监控设备等烧毁，无人员伤亡，火灾发生前的关键事件如图1所示。

图1 火灾时间轴

1.2 工程建设情况

起火建筑为某地城市数据中心改造工程，采用施工总承包方式对外发包并委托监理公司进行监管。总承包方将UPS电源系统所在云机房项目进行了分包，分包方又将UPS电源系统的安装及内设消防工程分别委托给两家专业公司承担。

起火建筑内设有火灾自动报警系统、火灾自动喷水灭火系统、室内消火栓系统、应急广播和应急照明系统，电池室单独设置了气体自动灭火系统。因电池室未验收交付，火灾发生时电池室气体灭火系统及区域报警系统未启用，起火建筑其他消防设施已投入运行。

1.3 UPS电源系统情况

起火建筑一层L型电池室共有1680节（2v2000AH）和192节（2v1200AH）阀控密封铅酸电池，其中UPS电源共分3组（2+1型并机供电）布置在电池室南侧，由西向东分别为KGX-1、KGX-2、KGX-3蓄电池组，每组480节（2v2000AH）构成四层三列组合式电池架，单体电池间通过铜排串联，电池组列间通过900/600cm两种电缆线在末端两路串联，由下往上1～2层通过1500cm电缆线穿越电池架列间间隙上下层两路串联为蓄电池组1，同样的连接方式3～4层串联为蓄电池组2，蓄电池组1和组2并联接到汇流排后与开关柜连接。其他蓄电池组成KGX-4蓄电池组用作EPS电源，布置在电池室北侧。UPS蓄电池组的布置及配电接线情况见图2、图3。

图2 蓄电池组平面布置情况

为加强对UPS电源系统日常运行监测与管理，配套设置了动环监测系统，用于监控电池室环境、蓄电池组及UPS主机运行状态。

图3 UPS配电接线图

二、起火原因认定

由于有现场视频作支撑，本文对起火时间及起火部位的认定不作详细分析。经调查认定起火时间为火灾发生当日12时13分许，认定起火部位为一层电池室KGX-3蓄电池组北部距北墙2.5～6m，距地面0.2～1.5m区域。在排除放火、遗留火种、雷击、交流用电设备及其线路发生电气故障等引发火灾的情况下，初步认定起火原因为UPS电源系统电气故障引发火灾。本文涉及的时间均为校正后的北京时间，两路视频监控点位如图4所示。

图4 起火部位及视频监控点位图

发生火灾的UPS电源系统由UPS主机输入端、UPS电源、UPS负载输出端及旁路部分构成，其中UPS电源由整流模块（交流转直流）、充电器、逆变器（直流转交流）、开关控制柜及电气连接线路等组成，其电气系统结构示意图如图5所示。UPS电源系统的输入输出端及旁路部分、UPS电源部分发生电气故障均有可能引发火灾。

图5 UPS电气系统结构示意图

排除UPS电源系统输入输出端及旁路部分发生电气线路故障引发火灾的可能。通过调查确认10时10分后，KGX-3开关柜断路器已人工断开，且动环系统电子数据显示KGX-3蓄电池组充电电流为0（见表1），说明KGX-3蓄电池组与UPS主机端已有效断开；动环系统电子数据显示市电输入输出电压及旁路电压正常（见表1），说明市政供电端、UPS主机输入输出端正常。为此，可推定12时13分许蓄电池组产生电弧火花并引发火灾与市电端、UPS主机输入输出端及旁路无直接关系。

表1 火灾前动环系统电子数据

发生火灾前，动环系统监测到单体电池内部温度正常（见表1），可排除KGX-3蓄电池组单体电池内部热失控引发火灾的可能。

经调查询问、视频分析及现场勘验，确认火灾发生当日10时10分、11时13分许和12时13分许KGX-3蓄电池组底部一、二层先后发生过3次电弧火花现象；在KGX-3蓄电池组电气连接线路上，开关柜开关、背板及与电池架螺栓接触处发现明显的电弧烧蚀痕迹；12时13分许在KGX-3蓄电池组北侧区域产生电弧火花引燃蓄电池组引发火灾，见图6～图9。

图6 12时13分许KGX-3蓄电池组北部起火

图7 KGX-3蓄电池组底部二层层间线与电池架横档间的电弧烧蚀痕迹

图8 断路器状态及其固定支架电弧烧蚀痕迹

图9 开关柜背板及电池架螺栓电热熔痕对应位置

综合分析表明：在KGX-3蓄电池组电源侧的电气连接线路上，开关柜开关、背板及与电池架螺栓接触处发生漏电故障形成放电回路，导致漏电点处产生强烈的短路电弧火花引燃蓄电池组继而引发火灾。故认定起火原因为KGX-3蓄电池组底部一、二层蓄电池连接线路故障导致KGX-3蓄电池架带电，击穿蓄电池架与KGX-3电池开关柜的开关负极铜排间的绝缘形成短路，短路电弧火花引燃KGX-3蓄电池组所致。

三、UPS电源系统消防安全分析

3.1 UPS电源系统蓄电池组火灾危险性

UPS蓄电池组火灾危险性是导致火灾的主要因素之一。在此起火灾中，电池室内布置的阀控密封铅酸电池，浮充状态下单体电池约2.25V，总共相当于8078kWh的电量，发生火灾或热失控时火灾危害巨大。电子数据表明，KGX-3蓄电池组自2月3日19时许以来单体电池均差值约830mV许，极差值为1100mV许，明显大于相关规定的均差值±50mV，极差值100mV。自2021年4月9日以来充电电流在12～35A浮动，持续保持异常充电状态，未进入浮充状态，说明KGX-3蓄电池组内部处于异常运行状态，存在内部故障导致热失控引发火灾风险。根据《固定型阀控密封式铅酸蓄电池第1部分：技术条件》（GB/T19638.1—2014）的规定，2V单体蓄电池在环境温度20℃标准浮充电压下，平均每安时/小时对外释放出的气体量Ge≤0.04mL，2.4V充电电压下Ge≤1.7mL［1-2］。按照0.04≤Ge≤1.7进行计算，1680节（2v2000AH）和192节（2v1200AH）铅酸电池每小时产生约0.14～6m3氢气。40m3电池室仅需1.6m3氢气即达到4%的爆炸下限，易发生爆炸风险。

3.2 UPS电源系统电气线路火灾危险性

UPS电源电气线路故障是导致火灾发生的重要因素[3]。在此起火灾中，火灾发生当日KGX-3蓄电池组先后发生过3次电气线路故障产生电弧火花的情况，造成KGX-3蓄电池组电气连接线路南部、中北部及开关柜开关、背板及与电池架连接处均发生强烈电弧放电，最终引发火灾。UPS电源电气线路故障是引发此起火灾的直接原因。在火灾发生情况下，一方面随着温度的升高，蓄电池外壳融化释放氢气加剧火灾，另一方面造成蓄电池内部及外部连接线形成多处短路，加之直流电源产生的电流较大，易导致火灾进一步蔓延扩大。

3.3 工程建设源头的消防安全隐患

设计、施工等工程建设源头的消防安全隐患也不能忽视。目前UPS电源系统设计、施工还没有统一明确的标准，尤其是没有消防安全设计标准，主要是在《民用建筑电气设计规范》（JGJ16—2008）、《安全防范工程技术规范》（GB50348—2004）等其他专业标准规范中部分提到，更多的是从保障供电质量的角度作出规定【4-5】，而很少从消防安全的角度制定标准。在此起火灾中，根据UPS电源系统1400kW供电负载和83%负载率计算出设计功率为2300kW，持续供电时间2h，共需4600kWh容量的蓄电池组，而实际施工却布置了约8078kWh的蓄电池组，存在欠放电引发火灾可能性，同时增加了火灾荷载。在开关柜断路器选择上，额定电流大于800A时应选择框架式断路器，而在施工时，1600A额定电流选择了塑壳断路器，且不按《低压开关设备和控制设备第1部分：总则》（GB14048.1—2012）要求的铜排尺寸施工［6］，并经结构测试该种安装方式致使塑壳断路器底板顶穿，容易导致电击穿等故障发生引发火灾。施工时层间电缆线穿越电池架列间间隙受到电池架挤压容易导致绝缘破损漏电，在连接线与电池架列间金属横杆处容易导致电击穿故障进而引发火灾。金属电池架等外露金属体未做有效接地也加大了其他薄弱环节的潜在电击穿风险。尤其是UPS电源系统本身存在较大火灾风险。UPS电源系统上线运行前，由于消防设施工程未及时安装调试和消防验收，造成火灾报警和自动灭火设施系统未能正常启用，致使火灾发生后未有效发挥应有预警和控火作用，是造成火灾蔓延扩大的重要因素之一。

3.4 维护管理和应急处置的消防安全隐患

维护不到位和应急处置不科学也是导致本起火灾发生的间接因素。在该起火灾中，UPS电源系统上线运行半年来，长期处于充电状态，却没有定期进行放电测试，影响蓄电池使用寿命［7］，虽然配套了动环监测系统，但是没有人员监控，导致KGX-3蓄电池组长期处于异常运行状态而未被发现。另外，建设方和施工方未制定应急处置预案，10时10分许发现故障打火后只是关闭了开关柜开关并联系供应商技术人员，并未采取有效措施导致后续又发生两次打火并引发火灾。

四、电化学电池储能系统火灾风险防控的延伸思考

UPS电源系统的火灾风险既有蓄电池组本身储能本质安全问题，也有系统集成、安装调试、运行维护、设施报废等全寿命周期管理留存的各类隐患。风险防控需要评估设置场所周边环境对UPS电源系统安全运行的影响，以及发生电池热失控或火灾事故后是否有安全高效的应急处置措施。下面结合UPS电源系统火灾的调查分析，就电化学电池储能系统火灾防控提几点建议。

4.1 健全安全评价标准体系，提升电池本质安全水平

储能电池本身的热失控及电池模组的热失控扩散，是导致储能系统发生起火爆炸等事故的直接原因，要结合不同类型电池模组的生产、组装和系统集成的工艺流程、关键技术，编制门类齐备、权威高效的生产过程安全性能质量控制标准，提高动力电池安全标准，如将针刺试验（一种模拟热失控诱因的方法）安全测试方法纳入国家强制标准，并根据技术进步情况及时修改完善相关标准。建议电池模组制造厂商和安装企业，开发模块化的电池模组支架，当发现储能电池室发生电池组热失控或火灾时，可方便应急救援人员及时切断电气连接，将未失控电池模组转移，降低火灾荷载。

4.2 健全工程建设标准体系，强化电池储能场所消防安全源头管控

UPS电池室、电池储能站等在总电容量控制，平面布局、防火分隔措施，自动预警及灭火设施配置，以及电池架的高度、间距控制，防潮、防电磁干扰、防雷防漏电保护接地的设计施工验收方面，无国家或行业工程建设标准予以系统规范。《民用建筑电气设计规范》仅对UPS装置的选择，从负荷性质、容量和允许中断供电时间提出原则规定，对消防安全设计无具体要求。《数据中心设计规范》对主机房的消防设施和安全措施提出设计要求，但对UPS电池室的消防安全设计无明确规定。该起火灾中电池金属架未按标准进行可靠接地也是导致电气故障产生的潜在因素。要结合UPS电池系统、电池储能站等采用不燃材质电池及模组，结合工程建设使用实际，从场所设置、平面布局、电容量控制和消防设施等方面制定安全设计标准，强化施工过程监控，检查测试接地保护可靠度，在UPS电源投入试运前，完成消防设施工程验收，把好UPS电源系统工程源头消防安全关。

4.3 建立安全监测管理系统，实现动态分析评估

应将UPS电源系统作为消防重点部位，实施从监测维护到应急处置全流程管理，要利用动环监测系统、视频火眼系统和火灾报警系统对UPS电池室、电池储能站的安全运行进行动态监测。行业监管上，要积极构建权威、透明、统一的国家、省级电池储能系统物联网大数据平台，以信息化、物联网、人工智能手段，实现工况网上实时监测，大数据分析共享，安全动态精准监管，定期开展行业安全评价，助推电池储能行业安全高质量发展。

4.4 科学制定应急处置预案，针对性组织消防演练

针对UPS电池室、电池储能站的安全风险，要科学制定安全巡查细则和应急处置预案【8】。定期组织巡查，电池室烟感预警或监测环境温度大于25℃、湿度小于90%等情况，要到场核查；要定期通风换气，及时清理电池表面灰尘；定期进行核对性放电试验，定期进行系统各项功能测试；定期检查主机、蓄电池组、配电线路等连接情况及运行工况。针对性制定应急预案，规范处置流程，定期开展熟悉演练。应急处置要能在第一时间控制电池热失控爆炸或火灾快速蔓延的发生，一要快速切断与市电的连接，断开蓄电池组间的连接，同时拨打119报火警；二要果断自动或手动启动气体灭火系统或水喷雾灭火系统［9］；三要在不影响人员安全疏散和不造成火灾竖向蔓延的位置，开启外窗或破窗散烟散热。（来源：数据中心基础设施运营管理）

编辑：中国电源产业网