安科瑞 陳聰

【摘要】鋰電池儲能技術，因其快速響應、能量密度高的特點，為解決大電網的調頻調峰、發(fā)電側的可再生能源友好接入、用戶側的削峰填谷及維持孤網穩(wěn)定運行等問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行了系統(tǒng)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研究提供參考。

【關鍵詞】鋰電池儲能電站；火災危險性；應急處置

引言

隨著風能、太陽能等可再生能源在能源結構中占比不斷提升，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以及電力系統(tǒng)輔助服務等領域不斷被運用。隨著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題非常關注。現對鋰電池儲能電站的火災危險性進行分析，探討研究儲能電站火災防范和應急處置對策。

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，是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經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年實現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荷儲控制系統(tǒng)，為電網提供調峰、調頻、備用、事故應急響應等多種服務，滿足電網在可再生能源消納、電網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串并聯后構成電池模塊，電池模塊經串聯連接構成模塊電池箱(如圖1所示)，后多個模塊電池箱通過并聯集成安置在一個集裝箱內成儲能電池艙(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原因。鋰電池熱失控的常見因素有：一是內部短路。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，導致電池內短路。鋰電池隔膜本就很薄，現為了追求高續(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，再加上內部的鋰枝晶，這些因素很容易導致電池內部短路進而熱失控。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，外部大功率過放電也會導致電池內部發(fā)熱并膨脹，出現和過充類似的破壞過程導致起火。三是化學反應放熱。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)電池內部各種副反應。電池溫度會進一步升高，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長，會與極片或殼體接觸形成內短路。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危險性。

1.鋰電池單體熱失控。鋰電池儲能電站具有串并聯數量多、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，增加火災蔓延渠道，導致整個鋰電池艙火災蔓延。

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，如果使用運營過程中管理不到位，將會發(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)，對鋰電池可能出現的故障進行報警和應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，通過監(jiān)控觀察，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。通過對未燃燒的BMS勘驗，發(fā)現因長期的發(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。比如，某鋰電池儲能電站建設過程中，因建設周期短，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。

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量可靠的鋰電池制造廠商的產品，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，應對單體電池電壓、內阻、電流、容量等參數的一致性進行篩選，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(tǒng)(BMS)，對數據及時采集與實時監(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、維護和管理。鋰電池儲能電站禁止設置在人員密集場所、高層建筑內、地下建筑、易燃易爆等場所。應選擇符合要求的設施設備，使用和容量相一致的電氣線路，各部件匹配合理，防止因電氣故障發(fā)生事故。設計時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)技術人員對相關設備開展全面、*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)生過程可分為初起、發(fā)展、猛烈和熄滅四個階段。初起階段火災還沒有蔓延擴散，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，減少災害的擴大。目前主要采用的是傳統(tǒng)的火災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，才能起到預警作用，如采用吸入式感煙探測器，能夠實現早期報警?；蛘吒鶕煌囯姵氐娜紵a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。也可在每一個電池箱體內部加裝探測器，當電池箱體內部有故障的時候，能夠更早發(fā)現，并地定位到是哪個電池箱體發(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部，也只能撲滅明火，無法從根本上抑制火災。由于鋰電池燃燒不需要氧氣參與，屬于內部材料化學反應，傳統(tǒng)隔絕氧氣滅火方法不起作用。如果不能持續(xù)冷卻，內部反應一直持續(xù)，會發(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(xù)噴水是針對鋰電池火災有效的撲滅方法。當然關鍵要注意防止觸電，啟動時應“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)，可實現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、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)不僅可以實現下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現與上級調度系統(tǒng)和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經濟運行。

（二）應用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

（三）系統(tǒng)結構

（四）系統(tǒng)功能

1.實時監(jiān)管

對微電網的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數據、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、用電設備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網系統(tǒng)的運行狀況。

3.功率預測

對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行短期、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

微電網配置主要對微電網系統(tǒng)組成、基礎參數、運行策略及統(tǒng)計值進行設置。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、硬件及其配套產品

六、結語

隨著鋰電池儲能電站的規(guī)?；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。鋰電池生產企業(yè)要加快技術革新，進一步研究鋰電池火災機理，改善生產工藝，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企業(yè)要利用多種火災自動報警探測器組合實時監(jiān)測，及早發(fā)現異常，減少鋰電池儲能電站火災的發(fā)生。同時確保萬一火災發(fā)生時，利用熟練的事故預防措施和緊急情況下的處置辦法，提高現場處置能力，防止火災擴大蔓延，將災害降到。

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