安科瑞 陳聰

【摘要】鋰電池儲能技術(shù)，因其快速響應、能量密度高的特點(diǎn)，為解決大電網(wǎng)的調頻調峰、發(fā)電側的可再生能源友好接入、用戶(hù)側的削峰填谷及維持孤網(wǎng)穩定運行等問(wèn)題提供了一種有效的解決途徑。本文結合鋰電池的結構機理，對鋰電池儲能電站火災危險性進(jìn)行了系統分析，并對儲能電站火災防范和應急處置提出建議，以便為鋰電池儲能電站消防安全技術(shù)研究提供參考。

【關(guān)鍵詞】鋰電池儲能電站；火災危險性；應急處置

引言

隨著(zhù)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源在能源結構中占比不斷提升，越來(lái)越多的間歇性、波動(dòng)性能源的接入需求，以及鋰電池成本的下降，鋰電池儲能電站在新能源并網(wǎng)以及電力系統輔助服務(wù)等領(lǐng)域不斷被運用。隨著(zhù)鋰電池儲能電站的建設，國內外鋰電池儲能電站的火災逐漸增多，大家對鋰電池儲能電站消防安全問(wèn)題非常關(guān)注?，F對鋰電池儲能電站的火災危險性進(jìn)行分析，探討研究?jì)δ茈娬净馂姆婪逗蛻碧幹脤Σ摺?/span>

一、鋰電池儲能電站概述

(一)鋰電池儲能電站應用。鋰電池儲能電站具有高效率、應用靈活、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，是提升傳統電力系統靈活性、經(jīng)濟性和安全性的重要手段，適應新一輪能源革命的發(fā)展形勢，近年來(lái)在國內外的應用呈上升趨勢。截至2020年年底，我國已投運的新型電力儲能累計裝機容量達到3.28８吉瓦，計劃到2025年實(shí)現新型儲能裝機容量達3000萬(wàn)千瓦以上。鋰電池儲能電站投運后將接入源網(wǎng)荷儲控制系統，為電網(wǎng)提供調峰、調頻、備用、事故應急響應等多種服務(wù)，滿(mǎn)足電網(wǎng)在可再生能源消納、電網(wǎng)安全運行等方面的迫切需求，同時(shí)在提高能源綜合利用效率，助推綠色能源發(fā)展等方面發(fā)揮重要作用。

(二)鋰電池儲能電站組成。首先由多個(gè)鋰電池單體經(jīng)串并聯(lián)后構成電池模塊，電池模塊經(jīng)串聯(lián)連接構成模塊電池箱(如圖1所示)，后多個(gè)模塊電池箱通過(guò)并聯(lián)集成安置在一個(gè)集裝箱內成儲能電池艙(如圖2所示)，多個(gè)電池艙再加上系統配套的PCS(儲能變流器)艙、SVG艙、總控艙等組成一個(gè)鋰電池儲能電站。

圖1模塊鋰電池箱的串聯(lián)連接情況 圖2由多組模塊電池箱連接成的電池艙內部情況

二、鋰電池儲能電站的火災危險性

(一)鋰電池單體的火災危險性。

1.鋰電池的構造。鋰電池一般由正極、隔膜、負極、有機電解液和電池外殼組成，適應不同應用場(chǎng)景，有各種形狀和構造(如圖3所示)。鋰電池負極一般都使用石墨材料。電解液常用碳酸酯類(lèi)作為溶劑，添加劑可能不盡相同。鋰電池正極材料差異較大，常見(jiàn)有磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料等。隔膜主要是正、負極分隔開(kāi)來(lái)，一般采用高強度、薄膜化的聚烯烴系多孔膜，是防止電子通過(guò)的，但可以讓鋰離子通過(guò)。鋰電池充放電是依靠鋰離子在正極和負極之間移動(dòng)來(lái)完成的(如圖4所示)。鋰電池的電極材料、隔膜、電解液均是易燃物，其中火災危險性*的是隔膜。

圖3幾種形狀的鋰電池結構 圖4鋰電池充放電原理圖

2.鋰電池火災危險性。鋰電池在密閉的空間存儲了大量的能量，具有一定的危險性，“熱失控"是導致鋰電池起火的常見(jiàn)原因。鋰電池熱失控的常見(jiàn)因素有：一是內部短路。鋰電池在使用過(guò)程中負極表面會(huì )形成一些“小毛刺"(即鋰枝晶)，如果鋰枝晶的長(cháng)度超過(guò)隔膜的厚度，就會(huì )穿透隔膜，導致電池內短路。鋰電池隔膜本就很薄，現為了追求高續航，提高電池能量密度，隔膜越來(lái)越薄。超薄的隔膜、可燃的電解液，再加上內部的鋰枝晶，這些因素很容易導致電池內部短路進(jìn)而熱失控。二是過(guò)充過(guò)放電。鋰電池過(guò)度充電會(huì )逐漸導致電池溫度升高，高溫使隔膜收縮融化，造成正負極相互接觸而短路放熱。高溫也會(huì )使電解液分解產(chǎn)生氣體，氣體在密封的電池內部形成壓力致鋰電池膨脹外殼撐破，導致外部空氣進(jìn)入電池內部發(fā)生氧化反應，從而熱失控引發(fā)燃燒爆炸。同樣，外部大功率過(guò)放電也會(huì )導致電池內部發(fā)熱并膨脹，出現和過(guò)充類(lèi)似的破壞過(guò)程導致起火。三是化學(xué)反應放熱。電池的高能量密度值是通過(guò)升高電壓來(lái)獲得的，若電解液耐高壓能力不足，就會(huì )被氧化分解放熱使電池溫度升高，高溫會(huì )引發(fā)電池內部各種副反應。電池溫度會(huì )進(jìn)一步升高，引起電解液與正極材料、黏結劑熱反應，并終導致燃燒爆炸。四是制造工藝缺陷。電池工藝本身的瑕疵導致電芯極耳過(guò)長(cháng)，會(huì )與極片或殼體接觸形成內短路。還有在制備過(guò)程中帶入微?；蚧覊m，極片切割形成金屬毛刺，隔膜上存在微孔洞等都會(huì )增加短路的危險性。五是使用過(guò)程缺陷。多批次甚至同批次的單體電池在容量、內阻等性能指標上距離標稱(chēng)值有一定誤差，成組前分選不嚴格，導致鋰電池單體間的一致性不好，或者受到撞擊、擠壓、穿刺、振動(dòng)、跌落等會(huì )導致熱失控，終誘發(fā)起火或者爆炸

(二)鋰電池儲能電站的火災危險性。

1.鋰電池單體熱失控。鋰電池儲能電站具有串并聯(lián)數量多、規模大、運行功率大等特點(diǎn)，如某個(gè)鋰電池熱失控，通過(guò)熱傳導、熱輻射會(huì )引發(fā)相鄰電池單體發(fā)生熱失控，又因鋰電池之間均有線(xiàn)路相連接，增加火災蔓延渠道，導致整個(gè)鋰電池艙火災蔓延。

2.電氣故障。電氣故障是鋰電池儲能電站火災的主要原因，因鋰電池儲能站中除鋰電池外還存在大量附屬電氣設備，這些都將影響到儲能電站的整體火災危險性，如果使用運營(yíng)過(guò)程中管理不到位，將會(huì )發(fā)生電氣方面的火災。比如，因意外的大電流(雷電、浪涌)、高電壓侵入鋰電池儲能電站會(huì )引發(fā)火災。一方面是因為鋰電池儲能電站中的電氣設備高度集成，對大電流、高電壓的抵御能力不足；另一方面是因為鋰電池儲能電站中通信等線(xiàn)路多，增加了大電流、高電壓侵入的渠道。

3.電池管理系統失效。鋰電池儲能電站中，電池管理系統(BMS)是一個(gè)關(guān)鍵部件。BMS可實(shí)時(shí)監測鋰電池的各種狀態(tài)(電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)等)，對鋰電池充電與放電過(guò)程進(jìn)行安全管理(如防止過(guò)充、過(guò)放管理)，對鋰電池可能出現的故障進(jìn)行報警和應急保護處理以及對鋰電池的運行進(jìn)行優(yōu)化控制，并保證鋰電池安全、可靠、穩定地運行。一旦BMS維護保養不到位出現故障，容易導致鋰電池起火或BMS自身引發(fā)火災。比如，一起鋰電池儲能電站火災，通過(guò)監控觀(guān)察，在電站先起火的3s內，多處BMS先后爆燃，隨后蔓延至電池端發(fā)生拉弧爆燃，引發(fā)了火災。通過(guò)對未燃燒的BMS勘驗，發(fā)現因長(cháng)期的發(fā)熱超溫使部分電氣元件腐蝕、絕緣老化，已不能滿(mǎn)足原設計的電阻、絕緣要求，難以發(fā)揮監測、保護作用。

4.施工維修過(guò)程不規范操作。鋰電池儲能電站是由大量鋰電池單體串并聯(lián)連接而成，容量較大，短路時(shí)電流會(huì )很大。施工檢修過(guò)程中一些不規范的操作*易引發(fā)火災。比如，某鋰電池儲能電站建設過(guò)程中，因建設周期短，施工采用的功率線(xiàn)接頭端口型號相同，施工人員長(cháng)時(shí)間重復勞作情況下，因操作不慎，將功率線(xiàn)正負極接反了，導致電池外短路引發(fā)火災。

三、鋰電池儲能電站的火災防范對策

(一)提高鋰電池自身的安全防御。鋰電池儲能電站應選用質(zhì)量可靠的鋰電池制造廠(chǎng)商的產(chǎn)品，電動(dòng)汽車(chē)等退役的鋰電池，因電池性能、壽命等方面有所退化，不宜簡(jiǎn)單合并用于大規模儲能電站。電池模塊成組前，應對單體電池電壓、內阻、電流、容量等參數的一致性進(jìn)行篩選，確保重要參數一致。鋰電池儲能電站還應安裝電池管理系統(BMS)，對數據及時(shí)采集與實(shí)時(shí)監控，保證電池發(fā)揮*效率的同時(shí)讓電池保持在*工作溫區，還能讓BMS從外部來(lái)保持電池的一致性，提高安全性能。

(二)加強儲能電站的建設、維護和管理。鋰電池儲能電站禁止設置在人員密集場(chǎng)所、高層建筑內、地下建筑、易燃易爆等場(chǎng)所。應選擇符合要求的設施設備，使用和容量相一致的電氣線(xiàn)路，各部件匹配合理，防止因電氣故障發(fā)生事故。設計時(shí)還應充分考慮安全保護性能，符合防火和防爆要求。在電池艙四周艙壁設置隔熱阻燃襯層，采用具有耐高溫絕熱性能的材料。艙內應設置防爆型排風(fēng)裝置，電池艙之間保持一定防火間距，相互間的防火分隔、防火封堵等要到位，儲能電站應設置相應的消防設施。還要加強施工過(guò)程的管理，確保專(zhuān)業(yè)施工人員按照操作規范施工，確保連接部位牢固。正常運營(yíng)期間要定期組織專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對相關(guān)設備開(kāi)展全面、*底的檢查，進(jìn)行維護保養，及時(shí)消除安全隱患，保證設備完好運行。

(三)鋰電池儲能電站火災的盡早探測。一般情況，火災發(fā)生過(guò)程可分為初起、發(fā)展、猛烈和熄滅四個(gè)階段。初起階段火災還沒(méi)有蔓延擴散，此階段通過(guò)自動(dòng)報警系統及時(shí)探測到火警，可及早進(jìn)行處置，減少災害的擴大。目前主要采用的是傳統的火災自動(dòng)報警感煙和感溫探測器，只有等到煙霧和溫度彌漫到整個(gè)艙室以后，才能起到預警作用，如采用吸入式感煙探測器，能夠實(shí)現早期報警?；蛘吒鶕煌囯姵氐娜紵a(chǎn)生的不同可燃氣體(如一氧化碳、氫氣等)，有針對性地增設可燃氣體探測器，可在起火前及早發(fā)現，防止火災發(fā)生、蔓延和擴大，將損失降到。也可在每一個(gè)電池箱體內部加裝探測器，當電池箱體內部有故障的時(shí)候，能夠更早發(fā)現，并地定位到是哪個(gè)電池箱體發(fā)出的預警。

(四)鋰電池儲能電站火災的快速抑制。目前鋰電池儲能站多采用無(wú)導電性的七氟丙烷自動(dòng)滅火系統，滅火劑噴灑完畢后，在保持密封狀態(tài)的電池艙內使滅火劑充分擴散來(lái)滅火。該滅火方式，滅**藥劑無(wú)法早期作用于發(fā)生熱失控的電池箱內部，也只能撲滅明火，無(wú)法從根本上抑制火災。由于鋰電池燃燒不需要氧氣參與，屬于內部材料化學(xué)反應，傳統隔絕氧氣滅火方法不起作用。如果不能持續冷卻，內部反應一直持續，會(huì )發(fā)生復燃。撲救鋰電池火災的滅火劑要具備降溫和滅火雙重功能，水的降溫滅火效果明顯，大量、持續噴水是針對鋰電池火災有效的撲滅方法。當然關(guān)鍵要注意防止觸電，啟動(dòng)時(shí)應“先斷電、后滅火"，在滅火過(guò)程中不要觸碰鋰電池高壓組件。建議采用模塊級分布式細水霧滅火系統，讓一個(gè)噴頭保護一個(gè)電池模塊，做到點(diǎn)對點(diǎn)防護，當發(fā)生熱失控的時(shí)候，霧滴全覆蓋電池模塊內部，定向噴到發(fā)生熱失控的電池箱體內，起到及早抑制火災的目的。

四、安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統

（一）概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統是安科瑞專(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統，可實(shí)現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表、策略管理、歷史曲線(xiàn)等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統不僅可以實(shí)現下級各儲能單元的統一監控和管理，還可以實(shí)現與上級調度系統和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以滿(mǎn)足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經(jīng)濟運行。

（二）應用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

（三）系統結構

（四）系統功能

1.實(shí)時(shí)監管

對微電網(wǎng)的運行進(jìn)行實(shí)時(shí)監管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及用電負荷，同時(shí)也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。

2.智能監控

對系統環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，掌握微電網(wǎng)系統的運行狀況。

3.功率預測

對分布式發(fā)電系統進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。

4.收益分析

用戶(hù)可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數據，同時(shí)可以切換年報查看每個(gè)月的電量和收益。

5.策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進(jìn)行設置。其中策略包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

五、硬件及其配套產(chǎn)品

六、結語(yǔ)

隨著(zhù)鋰電池儲能電站的規?；瘧?，如何保證鋰電池儲能電站的消防安全成為其發(fā)展的*一要務(wù)。鋰電池生產(chǎn)企業(yè)要加快技術(shù)革新，進(jìn)一步研究鋰電池火災機理，改善生產(chǎn)工藝，制造出*安全的鋰電池。鋰電池儲能電站設計施工企業(yè)設計出安全保護性能*越的鋰電池儲能電站，并做好電池的安全施工。鋰電池儲能電站運營(yíng)企業(yè)要利用多種火災自動(dòng)報警探測器組合實(shí)時(shí)監測，及早發(fā)現異常，減少鋰電池儲能電站火災的發(fā)生。同時(shí)確保萬(wàn)一火災發(fā)生時(shí)，利用熟練的事故預防措施和緊急情況下的處置辦法，提高現場(chǎng)處置能力，防止火災擴大蔓延，將災害降到。

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