边昌
杭州市消防救援支队)
摘要：近年来，随着我国能源改型升级步伐的加快，以储能技术与系统为核心的现代智能电网日渐引起重视，储能技术被大规模应用于电力系统的发电、 输电、 配电、用电的各个环节，包括电池火灾在全球范围内，电化学储能行业市场的规模日益扩大，随着储能电站的快速发展，储能电站引发的火灾事故也呈现不断上升的趋势，国内外发生的电力储能系统火灾引起大家对锂电池储能系统的普遍关注，本文就储能电站火灾事故预防及应急措施进行相关研究。
Summary:In recent years, with the acceleration of China's energy transformation and upgrading, the modern smart grid with energy storage technology and system as its core has attracted more and more attention, energy storage technology has been widely used in power generation, transmission, distribution and consumption, including battery fire in the world. The market of electrochemical energy storage industry is growing in scale, with the rapid development of energy storage power stations, the fire accidents caused by energy storage power stations are also on the rise. The power storage system fires at home and abroad have aroused general concern about the lithium battery energy storage system, in this paper, the fire accident prevention and emergency measures for energy storage power station are studied.
关键词：储能电站Energy Storage Power Station 火灾事故fire accident,
预防 prevention应急措施 emergency measures
2021年4月16日，北京市丰台区南四环永外大红门西马厂甲 14 号院内储 能电站起火，在对电站南区进行处置过程中，电站北区在毫无征兆的情况下突发 爆炸，导致2名消防员牺牲，1 名消防员受伤（伤情稳定），电站内1名员工失 联。2018年7月2 日，一起大规模储能电站在韩国灵岩引爆，其中，708m2 建筑及 3500多个电池被烧毁，经济亏损约 46 亿韩元；美国亚利桑那州 APS 公司的电池储能电站于 2019 年4月19日发生起火爆炸，此次事件除了造成巨大的经济损失外，还致使四名消防员受伤。据不完全统计，全世界范围内锂电池储能火灾安全事故在过去的一年内发生超过 30 起，造成了重大的财产损失。
一、储能电站的安全风险因素分析
在锂离子电池成本降低到商业化的拐点后，储能系统的消防安全问题就成为制约锂离子电池电力储能大规模推广的关键瓶颈。储能电站安全风险因素主要包括火灾、爆炸、中毒、触电、灼烫等。其中火灾风险不仅包括传统的变压器火灾、电缆火灾等，还包括电池火灾。相较液流电池、铅酸电池等水系电池，有机系锂电池的火灾风险较为突出。而爆炸风险主要包括电池本体爆炸和变电设备爆炸两类。锂电池发生热失控后，会生成大量烷烃 类可燃气体。若储能装置布置在室内，当可燃气体达到一定浓度时，遇明火就会发生爆炸从安全与滥用的矛盾角度出发，对电池安全程度进行 定量描述。其所开发的模型全面考虑了各类子因素的影响，其中每个子功能描述了一个特定的滥用情况，以一个或多个可以由传感器检测或由其他技术检测的变量，如电压、温度或机械变形，来定量描述锂电池的安全性能。
通过对菱形和平行布置的大尺寸磷酸铁锂电池的加热试验，研究了电池火焰传播的热特性和燃烧特性，发现电池火焰加剧了电池组的燃烧行为，并可能会在一段时间的阴燃后诱发爆炸。并使用 C80 量热仪测量了阳极和阴极材料样品产生的热量和气体，提供了 30°C 至 300°C 之间的电池内部的物理化学过程。结合Semenov模型和 Frank-Kamenetskii 模型实验结果，得出触发热失控传播的临界温度。等人开发了一套用于在热失控早期检测电极温升的电阻温度检测器。该检测器嵌入电极内部并不参与电化学反应。对异常温度的检测更快且更精准。通过检测电池早期的内部短路，利用自放电电流预测灾难性故障的发生。他们将略低于电池开路电压的直流电源施加于处于任意电压的电池上，电路中便产生相应恒电位极化的电流，并在很短时间内转化为可精确测量的补偿电池自放电的电流。凭此能够在热失控发生之前探测到电池内部短路。气体是热失控早期变化较为明显的特征参量。郭东亮等人]的研究中发现过充所引发的电池内部一系列放热化学反应，引起温度、电压升高并伴有大量可燃气体产生，其中 H2 含量最高且最先被气体探测器感知。且给出电池电压、表面温度和H2 质量浓度特征参数建议报警范围分别为： 4.8～6.6V、 60～116 ℃、 20～50 mg/L。
二、储能电站事故预防研究
王铭民等人通过恒流过充的方式研究硬壳和软包磷酸铁锂电池模组过充至热失控的全过程，并进行全方位的产气在线监测。发现磷酸铁锂电池过充至热失控燃烧是一个渐变的过程，并不是突变的；硬壳磷酸铁锂电池和软包磷酸铁锂电池过充热失控特性存在差异，但产气类型及气体质量浓度变化趋势基本一致，热失 控各阶段反应现象与气体的质量浓度变化存在相互联系，可将 H2、CO、 CO2 作 为一级预警，HCl、HF 作为二级预警，通过监测气体质量浓度变化，在过充的早期阶段做好应对措施，避免储能电池进一步热失控燃烧。提出了一种基于声信号的兆瓦级电磁力站安全预警方法，该方法具有实现速度快、灵敏度高、成本低等优点。并对电池单体和电池组进行了过充电诱导的热失控实验。考虑到各种干扰噪声的影响，在对噪声进行分析的基础上，构造了一种基于谱减法的去噪方法。为了消除去噪后的类似干扰信号， 利用 XGBoost 模型建立了声信号识别分类器。识别准确率达到 92.31%。此方法为提高电网储能安全水平提供了一种新的途径。 胡振恺等人设计了一套集装箱式梯次储能系统火灾预警系统。设置气体分级预警机制，根据各级报警信号情况进行不同的联动措施，如自动或手动启动灭 火系统。王春力等人认为消防预警系统与电池管理系统联动，且二者均需能够对站内空调进行管控。同时储能电站的分级预警系统应以从电池包内部、电池簇（封闭式电池簇）和电池舱空间三个层次进行，以快速识别热失控的发生。
火灾发生时，储能舱内存有大量带电的磷酸铁锂电池，储能系统处于热失控状态，会产生对人体有害的气体和可燃气体，进而引发爆炸[16]。为了避免此类事故发生，储能电站应在设计、施工、运行等方面进行火灾爆炸事故的预防，能确保储能电站的安全和可靠运行。储能电站中使用的电池模组在设计时就应充分考虑电池的发热，保证电芯间距大于 2mm，达到散热、防火隔离目的。电池架每层间距 15mm，左右间距 50mm，表面喷覆环氧树脂粉末保护；各机柜器件考虑足够的爬电距离，空气间隙避免电 器短路起火。电池模组的塑胶结构件选用含玻璃纤维的复合材料。玻璃纤维熔点为 680℃，沸点为 1000℃，将对电池模组的防火耐火性能有很大提升。集装箱内壁上填充 50mm 厚岩棉板。岩棉板是一种不燃级保温隔热材料，能实现保温、隔热、阻燃的效果，以达到内外防火的作用。储能装置应该装有通风、烟雾和火灾报警系统和探测系统，并且对储能系统 进行爆炸控制。储能系统在安装时，必须安装应急系统，制定涉及电力、公安、 消防、环保、医院、宣传等多部门联动的事故应急预案。储能大规模应用前，应制定相应的标准体系，还需要对相关人员进行应急操作培训，并且需要消防部门作为主体参与目前业内重点关注和大力开展的热失控提前预警和消防安全技术，不能从根本上避免锂电储能系统的安全事故。
锂电储能电站“零事故”绝对安全的目标，需要改变思路，从电池安全状态的实时评价和预测着手，针对电池本体及运 行条件等多因素耦合作用的长期演化特性，研发电池安全风险的早期预警系统，从源头降低电池系统热失控风险。艾绍伟提出通过采用电池管理系统（ BMS）对电池的温度、电流、电压等进行常态监测，并对检测结果进行系统评估，评估结果异常时会发出告警信息。储能电站中， BMS 和环境监测将采集到的电压、电流、温度等信息上传到储能 电站监控主站。储能监控主站会进行信息的汇总、评估和仲裁，在电池温度超过 温度阈值时会自动下发指令，使系统停机，杜绝热失控发生，确保储能电站的安全。针对锂电池储能系统中可能出现的高电压、大电流侵入问题，可以从电气线路防雷防浪涌、通信线路防雷防浪涌、合理的布线与屏蔽、综合接地与等电位连接四个方面综合考虑，合理利用电厂现有的防雷及接地设施，同时增加防浪涌设备器件，以提高其抵御高电压、大电流侵入的能力。针对系统内部可能出现超温失控的元件、部位、场所应增加超温控制系统，及时观察、监测该部位的温度变化情况，发现温度超出预定范围、温度变化速率异常或温度长期处于某处不合理的区域等情况，及时发出警报，采取控制该部位的设备退出工作状态，系统整体 停机等措施，以保证系统安全可靠。
对于储能电站由火灾可能引发的爆炸事故，郑劼等人发明了一种防爆阻燃的锂离子电池安全箱，顶部设有正、负极导电端子，顶部安装气体阀门用以抽真空。箱内装有温度和压力传感器，在温度异常时，可以控制箱内的小风扇控温， 而压力异常时，则可以控制惰性气体储罐向箱内充气。侍成等人开发了一种磷酸铁锂储能电站电池预制舱防爆策略，并设置可燃气体探测报警系统第一，第二阈值分别为可燃气体浓度 2%，4% LEL，当可燃气体探测报警系统检测值到达第一阈值时，联动 BMS电池管理系统开启防爆电动风机，通过通风降低可燃气体浓度；当可燃气体探测报警系统达到第二阈值时，在 BMS电池管理系统检测 PCS断路器跳闸后，由 BMS电池管理系统关闭防爆电动风机，同时启动细水雾灭火系统，达到灭火控温双重目的，实现磷酸铁锂电站电池的防爆。根据实际试验数据，在15min 内可以有效控制电池体的可燃蒸汽和可燃气体的释放，并能扑灭电池体表面火灾且能够有效的长时间控制不复燃，不爆炸。
三、储能电站应急措施分析研究
应急系统研究根据文献调研，火灾往往含有下列五类火灾：负极材料石墨为燃 料的固体火灾（ A 类），有机电解液为燃料的液体火灾（ B 类）；隔膜分解以及其 他副反应的气体产物为燃料的气体火灾（ C 类）；铝集流体以及内部嵌锂为燃料 的金属火灾（ D 类）；最后系统整体引起的电气类火灾（ E 类）。
锂火灾是一类特殊的 D 类金属火灾，扑灭锂火灾的 D 类灭火剂主要有 Lith-X 干粉和铜粉灭火剂两种。针对 38A·h 的单体动力电池火灾开展灭火试验，发现 ABC 干粉、七氟丙烷、水和全氟己酮灭火剂均能在锂离子电池火灾中有效灭火，中抑制温升效果优劣依次为水、全氟己酮、七氟丙烷和ABC干粉。文献[37]提出高压细水 雾系统具有扑救 A 类、 B 类、 D 类及 E 四类火灾的性质，且高压细水雾系统对 着火后产生的废气和烟尘具有净化作用，考虑到安全也更环保，可在锂离子动力
电池厂房采用高压细水雾自动灭火系统。美国宇航局（ NASA）针对航天飞机内 的锂电池设备火灾，研究开发了一款高效细水雾灭火装置[38]。通过实验研究，论证了细水雾在冷却和抑制锂离子电池热失控方面的有效性。需要注意的是，已有的灭火实验研究对象均为锂离子单体电池，现有电网侧储能电站的单个储能电池预制舱容量约为 1MW/2MW·h，远远高于锂离子单体和模组电池容量，灭火剂扑救储能电站预制舱火灾的灭火效果缺少实验数据支撑。从已发生的电池储能电站火灾事故报告中可以看出，最终消防大队均采用大量水扑灭电池火灾。同时，水系灭火剂的抑制温升效果最优且使用成本相对较低，具有一定的开发价值，因此，提出了气水二次灭火系统，在管网式七氟丙烷灭火系统基础上增加水喷淋灭火系统。一旦七氟丙烷不能有效灭火，则通过水喷淋系统进行灭火，在可不考虑设备后续使用 的情况下，确保能够有效扑灭火灾。火灾发生后，磷酸铁锂电池释放了大量的有毒气体。在现场勘验时，工作人员 应准备防触电设备，制定触电应急措施，并对舱内气体进行采样检测，在确保人员安全的前提下展开现场勘验，避免事故现场对人员造成次生伤害。 事故一旦发生，会造成严重的经济损失，并会在一定程度上影响社会秩序和污染自然环境， 因此有必要需建立事故追查制度，查明事故原因，理清事故责任，及时开展事故 追责和财产损失赔偿工作。
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[ 作者简介 边昌，浙江诸暨人，杭州市消防救援支队余杭大队助理工程师，地址：杭州市余杭区临平街道宝幢路7号，邮编311000。联系电话：15925630110；E-mail：377745631@qq.com。]