淺談鋰電池儲能電站火災(zāi)危險及對策研究分析

安科瑞 陳聰

【摘要】鋰電池儲能技術(shù)，因其快速響應(yīng)、能量密度高的特點，為解決大電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)峰、發(fā)電側(cè)的可再生能源友好接入、用戶側(cè)的削峰填谷及維持孤網(wǎng)穩(wěn)定運行等問題提供了一種有效的解決途徑。本文結(jié)合鋰電池的結(jié)構(gòu)機理，對鋰電池儲能電站火災(zāi)危險性進行了系統(tǒng)分析，并對儲能電站火災(zāi)防范和應(yīng)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(zāi)危險性；應(yīng)急處置

引言

隨著風能、太陽能等可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中占比不斷提升，越來越多的間歇性、波動性能源的接入需求，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(tǒng)輔助服務(wù)等領(lǐng)域不斷被運用。隨著鋰電池儲能電站的建設(shè)，國內(nèi)外鋰電池儲能電站的火災(zāi)逐漸增多，大家對鋰電池儲能電站消防安全問題非常關(guān)注?，F(xiàn)對鋰電池儲能電站的火災(zāi)危險性進行分析，探討研究儲能電站火災(zāi)防范和應(yīng)急處置對策。

一、鋰電池儲能電站概述

(一)鋰電池儲能電站應(yīng)用。鋰電池儲能電站具有高效率、應(yīng)用靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟性和安全性的重要手段，適應(yīng)新一輪能源革命的發(fā)展形勢，近年來在國內(nèi)外的應(yīng)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年實現(xiàn)新型儲能裝機容量達3000萬千瓦以上。鋰電池儲能電站投運后將接入源網(wǎng)荷儲控制系統(tǒng)，為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、事故應(yīng)急響應(yīng)等多種服務(wù)，滿足電網(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。首先由多個鋰電池單體經(jīng)串并聯(lián)后構(gòu)成電池模塊，電池模塊經(jīng)串聯(lián)連接構(gòu)成模塊電池箱(如圖1所示)，后多個模塊電池箱通過并聯(lián)集成安置在一個集裝箱內(nèi)成儲能電池艙(如圖2所示)，多個電池艙再加上系統(tǒng)配套的PCS(儲能變流器)艙、SVG艙、總控艙等組成一個鋰電池儲能電站。

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(nèi)部情況

二、鋰電池儲能電站的火災(zāi)危險性

(一)鋰電池單體的火災(zāi)危險性。

1.鋰電池的構(gòu)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(yīng)不同應(yīng)用場景，有各種形狀和構(gòu)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、負極分隔開來，一般采用高強度、薄膜化的聚烯烴系多孔膜，是防止電子通過的，但可以讓鋰離子通過。鋰電池充放電是依靠鋰離子在正極和負極之間移動來完成的(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(zāi)危險性*的是隔膜。

圖3幾種形狀的鋰電池結(jié)構(gòu) 圖4鋰電池充放電原理圖

2.鋰電池火災(zāi)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原因。鋰電池熱失控的常見因素有：一是內(nèi)部短路。鋰電池在使用過程中負極表面會形成一些“小毛刺"(即鋰枝晶)，如果鋰枝晶的長度超過隔膜的厚度，就會穿透隔膜，導致電池內(nèi)短路。鋰電池隔膜本就很薄，現(xiàn)為了追求高續(xù)航，提高電池能量密度，隔膜越來越薄。超薄的隔膜、可燃的電解液，再加上內(nèi)部的鋰枝晶，這些因素很容易導致電池內(nèi)部短路進而熱失控。二是過充過放電。鋰電池過度充電會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。高溫也會使電解液分解產(chǎn)生氣體，氣體在密封的電池內(nèi)部形成壓力致鋰電池膨脹外殼撐破，導致外部空氣進入電池內(nèi)部發(fā)生氧化反應(yīng)，從而熱失控引發(fā)燃燒爆炸。同樣，外部大功率過放電也會導致電池內(nèi)部發(fā)熱并膨脹，出現(xiàn)和過充類似的破壞過程導致起火。三是化學反應(yīng)放熱。電池的高能量密度值是通過升高電壓來獲得的，若電解液耐高壓能力不足，就會被氧化分解放熱使電池溫度升高，高溫會引發(fā)電池內(nèi)部各種副反應(yīng)。電池溫度會進一步升高，引起電解液與正極材料、黏結(jié)劑熱反應(yīng)，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長，會與極片或殼體接觸形成內(nèi)短路。還有在制備過程中帶入微?；蚧覊m，極片切割形成金屬毛刺，隔膜上存在微孔洞等都會增加短路的危險性。五是使用過程缺陷。多批次甚至同批次的單體電池在容量、內(nèi)阻等性能指標上距離標稱值有一定誤差，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、跌落等會導致熱失控，終誘發(fā)起火或者爆炸

(二)鋰電池儲能電站的火災(zāi)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(shù)量多、規(guī)模大、運行功率大等特點，如某個鋰電池熱失控，通過熱傳導、熱輻射會引發(fā)相鄰電池單體發(fā)生熱失控，又因鋰電池之間均有線路相連接，增加火災(zāi)蔓延渠道，導致整個鋰電池艙火災(zāi)蔓延。

2.電氣故障。電氣故障是鋰電池儲能電站火災(zāi)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(shè)備，這些都將影響到儲能電站的整體火災(zāi)危險性，如果使用運營過程中管理不到位，將會發(fā)生電氣方面的火災(zāi)。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引發(fā)火災(zāi)。一方面是因為鋰電池儲能電站中的電氣設(shè)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路多，增加了大電流、高電壓侵入的渠道。

3.電池管理系統(tǒng)失效。鋰電池儲能電站中，電池管理系統(tǒng)(BMS)是一個關(guān)鍵部件。BMS可實時監(jiān)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程進行安全管理(如防止過充、過放管理)，對鋰電池可能出現(xiàn)的故障進行報警和應(yīng)急保護處理以及對鋰電池的運行進行優(yōu)化控制，并保證鋰電池安全、可靠、穩(wěn)定地運行。一旦BMS維護保養(yǎng)不到位出現(xiàn)故障，容易導致鋰電池起火或BMS自身引發(fā)火災(zāi)。比如，一起鋰電池儲能電站火災(zāi)，通過監(jiān)控觀察，在電站先起火的3s內(nèi)，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(zāi)。通過對未燃燒的BMS勘驗，發(fā)現(xiàn)因長期的發(fā)熱超溫使部分電氣元件腐蝕、絕緣老化，已不能滿足原設(shè)計的電阻、絕緣要求，難以發(fā)揮監(jiān)測、保護作用。

4.施工維修過程不規(guī)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，短路時電流會很大。施工檢修過程中一些不規(guī)范的操作*易引發(fā)火災(zāi)。比如，某鋰電池儲能電站建設(shè)過程中，因建設(shè)周期短，施工采用的功率線接頭端口型號相同，施工人員長時間重復勞作情況下，因操作不慎，將功率線正負極接反了，導致電池外短路引發(fā)火災(zāi)。

三、鋰電池儲能電站的火災(zāi)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(yīng)選用質(zhì)量可靠的鋰電池制造廠商的產(chǎn)品，電動汽車等退役的鋰電池，因電池性能、壽命等方面有所退化，不宜簡單合并用于大規(guī)模儲能電站。電池模塊成組前，應(yīng)對單體電池電壓、內(nèi)阻、電流、容量等參數(shù)的一致性進行篩選，確保重要參數(shù)一致。鋰電池儲能電站還應(yīng)安裝電池管理系統(tǒng)(BMS)，對數(shù)據(jù)及時采集與實時監(jiān)控，保證電池發(fā)揮*效率的同時讓電池保持在*工作溫區(qū)，還能讓BMS從外部來保持電池的一致性，提高安全性能。

(二)加強儲能電站的建設(shè)、維護和管理。鋰電池儲能電站禁止設(shè)置在人員密集場所、高層建筑內(nèi)、地下建筑、易燃易爆等場所。應(yīng)選擇符合要求的設(shè)施設(shè)備，使用和容量相一致的電氣線路，各部件匹配合理，防止因電氣故障發(fā)生事故。設(shè)計時還應(yīng)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(shè)置隔熱阻燃襯層，采用具有耐高溫絕熱性能的材料。艙內(nèi)應(yīng)設(shè)置防爆型排風裝置，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(yīng)設(shè)置相應(yīng)的消防設(shè)施。還要加強施工過程的管理，確保專業(yè)施工人員按照操作規(guī)范施工，確保連接部位牢固。正常運營期間要定期組織專業(yè)技術(shù)人員對相關(guān)設(shè)備開展全面、*底的檢查，進行維護保養(yǎng)，及時消除安全隱患，保證設(shè)備完好運行。

(三)鋰電池儲能電站火災(zāi)的盡早探測。一般情況，火災(zāi)發(fā)生過程可分為初起、發(fā)展、猛烈和熄滅四個階段。初起階段火災(zāi)還沒有蔓延擴散，此階段通過自動報警系統(tǒng)及時探測到火警，可及早進行處置，減少災(zāi)害的擴大。目前主要采用的是傳統(tǒng)的火災(zāi)自動報警感煙和感溫探測器，只有等到煙霧和溫度彌漫到整個艙室以后，才能起到預(yù)警作用，如采用吸入式感煙探測器，能夠?qū)崿F(xiàn)早期報警?；蛘吒鶕?jù)不同鋰電池的燃燒產(chǎn)生的不同可燃氣體(如一氧化碳、氫氣等)，有針對性地增設(shè)可燃氣體探測器，可在起火前及早發(fā)現(xiàn)，防止火災(zāi)發(fā)生、蔓延和擴大，將損失降到。也可在每一個電池箱體內(nèi)部加裝探測器，當電池箱體內(nèi)部有故障的時候，能夠更早發(fā)現(xiàn)，并地定位到是哪個電池箱體發(fā)出的預(yù)警。

(四)鋰電池儲能電站火災(zāi)的快速抑制。目前鋰電池儲能站多采用無導電性的七氟丙烷自動滅火系統(tǒng)，滅火劑噴灑完畢后，在保持密封狀態(tài)的電池艙內(nèi)使滅火劑充分擴散來滅火。該滅火方式，滅**藥劑無法早期作用于發(fā)生熱失控的電池箱內(nèi)部，也只能撲滅明火，無法從根本上抑制火災(zāi)。由于鋰電池燃燒不需要氧氣參與，屬于內(nèi)部材料化學反應(yīng)，傳統(tǒng)隔絕氧氣滅火方法不起作用。如果不能持續(xù)冷卻，內(nèi)部反應(yīng)一直持續(xù)，會發(fā)生復燃。撲救鋰電池火災(zāi)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(xù)噴水是針對鋰電池火災(zāi)有效的撲滅方法。當然關(guān)鍵要注意防止觸電，啟動時應(yīng)“先斷電、后滅火"，在滅火過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(tǒng)，讓一個噴頭保護一個電池模塊，做到點對點防護，當發(fā)生熱失控的時候，霧滴全覆蓋電池模塊內(nèi)部，定向噴到發(fā)生熱失控的電池箱體內(nèi)，起到及早抑制火災(zāi)的目的。

四、安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

（一）概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現(xiàn)與上級調(diào)度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級調(diào)度指令，又可以滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。

（二）應(yīng)用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

（三）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（四）系統(tǒng)功能

1.實時監(jiān)管

對微電網(wǎng)的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

2.智能監(jiān)控

對系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設(shè)備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況。

3.功率預(yù)測

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

4.收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

5.策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設(shè)置。其中策略包含計劃曲線、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(jié)語

隨著鋰電池儲能電站的規(guī)?；瘧?yīng)用，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，進一步研究鋰電池火災(zāi)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(shè)計施工企業(yè)設(shè)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企業(yè)要利用多種火災(zāi)自動報警探測器組合實時監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)異常，減少鋰電池儲能電站火災(zāi)的發(fā)生。同時確保萬一火災(zāi)發(fā)生時，利用熟練的事故預(yù)防措施和緊急情況下的處置辦法，提高現(xiàn)場處置能力，防止火災(zāi)擴大蔓延，將災(zāi)害降到。

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