鋰電池儲能系統火災危險性及防范措施

朱 江，張宏亮

(山西省消防總隊，山西 太原 030001)

2017年3月7日，山西某電廠鋰電池儲能電站1組鋰電池集裝箱發生火災。該起火災過火面積約28 m2，火災燒毀1號儲能集裝箱。同年12月21日該鋰電池儲能電站再次發生火災，燒毀2號儲能集裝箱。兩起火災事故發生后，引起社會各界廣泛關注。因此，探討鋰電池儲能系統的火災危險性及防范措施具有現實意義。

一、儲能調頻系統簡介及應用前景

電力系統的頻率反映了發電有功功率與負荷之間的平衡關系，為滿足發電廠設備、用戶設備和電力系統正常運行的需要，電力系統設置了頻率的控制要求，例如我國要求電力系統頻率控制在50±0.2 Hz范圍內的時間應達到98%以上。在頻率發生變化時，電力系統會調整發電機組功率的基準值，改變發電機組的輸出功率，從而實現發電機組的功率和負荷實時保持平衡。這一過程即為本文所述的電力系統調頻。傳統電力系統的調頻由火電、水電等常規發電機組提供，但隨著儲能技術的出現，近年來越來越多的電化學儲能電池(主要為鋰電池)系統開始為電力系統提供服務。鋰電池儲能系統，能很好地避免傳統機組的調節延遲、調節反向、調節偏差大等缺點，能快速精確地響應電網的調頻指令，因此近年來在國內外的應用呈上升趨勢。據中關村儲能產業技術聯盟的統計數據，截至2017年底，全球范圍內儲能調頻系統累計裝機規模達到1 005.7 MW，其中鋰電池的裝機規模超過90%。我國范圍內，這一規模為35 MW，全部為鋰電池儲能系統。2018年，我國新增(包括新投運、在建、簽訂合同的系統)儲能調頻系統總計超200 MW，呈快速發展態勢。

我國的新一輪電力體制市場化改革正在全面推進，在此過程中，調頻輔助服務市場作為首要的改革領域已經在山西、廣東、山東等地開始試點運行，并且華東、西北等區域電網也正在陸續修改相關市場規則，醞釀市場化改革。這一改革過程中，調頻資源性能好壞將是決定其市場競爭力的關鍵點，性能優越的調頻資源將在市場競爭中獲得更多的機會，這將進一步刺激全國范圍內投用儲能系統為電網提供調頻輔助服務，會有越來越多的鋰電池儲能系統進入我國電力調頻輔助服務市場。

二、鋰電池儲能系統的火災危險性

鋰電池儲能系統的火災危險性主要包括鋰電池的火災危險性和電氣設備的火災危險性等方面。

(一)鋰電池的火災危險性

研究發現，涉及鋰電池的火災主要是電解液分解、燃燒的結果，是一種碳氫化合物氣體燃燒火災。美國消防協會(NFPA)針對鋰電池燃燒火災的研究中指出：鋰電池的火災危險主要來自其構造，與電池的物質組成直接相關，在濫用情況下，比如電池過熱、過度充放電、電池設計缺陷及原材料瑕疵造成的短路等導致內部的電池材料之間發生化學反應，電解液分解產生大量的熱和氣體，引起電池的熱失控。研究認為快速釋放能量的熱失控是引起電解液燃燒的主要原因，一旦發生熱失控，電池溫度迅速升高，其結果直接導致電池材料燃燒。當鋰電池電解液分解、燃燒產生的可燃性氣體濃度達到一定程度后，遇明火會發生爆炸。在大型鋰電池儲能系統中，電池組具有高密度、集中式分布的特點，鋰電池模塊通過串聯形成單個電池組，多個電池組通過并聯形成一個大容量儲能單元。這樣不僅增加了鋰電池出現故障的概率，而且一旦發生火災，也會因為電池之間無法切斷電路，而增加火災蔓延渠道。

(二)電氣設備的火災危險性

鋰電池儲能系統中存在大量的附屬電氣設備，這些設備的不安全使用也增加了儲能系統整體的火災危險性，如意外的高電壓、大電流(雷電、浪涌)侵入。造成鋰電池儲能系統高電壓、大電流侵入，一方面是因為鋰電池儲能系統中的電子設備高度集成化，從而降低了其對高電壓、大電流的抵御能力；另一方面是因為系統中使用的通信線路數量較多，也造成高電壓、大電流侵入的渠道增加。同時，保護元件失效也是引發火災的重要原因之一[1]。比如，通過對一起鋰電池儲能系統火災監控錄像的觀察發現，在起火后的3 s內多處Rack BMS(電池管理單元)先后發生爆燃，隨后蔓延至電池端面發生拉弧爆燃?？梢源_定電池內過流保護、直流熔斷器與電池內過流熔斷器未能有效隔離短路故障，是造成火災蔓延擴大的主要原因。通過對未燃燒的Rack BMS柜勘查發現，長期發熱超溫造成柜體內部分電氣元件氧化腐蝕、部分絕緣材料老化，不能滿足其原設計的電阻、絕緣要求，致使鋰電池儲能系統整體在電氣安全方面存在較大隱患。

(三)火災對電廠設施的危害

通常情況下，鋰電池燃燒時會產生大量氣體，主要有氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、苯和甲苯等有機氣體以及氯化氫、氟化氫等有毒氣體。鋰電池儲能系統一般安裝在電廠主要設備附近，其一旦發生火災，集裝箱內部的鋰電池在高溫情況下釋放的氫氣、一氧化碳等可燃氣體，得不到有效控制極易造成火勢迅速蔓延甚至發生爆炸，危及空冷平臺或者主電設備，進而造成巨大財產損失。

三、鋰電池儲能系統的火災防范措施

安全性是鋰電池制造廠商重點考慮的內容。下面從火災自動報警系統、自動滅火裝置、電氣設計、現場設計及消防安全管理等方面探討鋰電池儲能系統的火災防范措施。

(一)火災自動報警系統及滅火設施的設置

一般情況下，鋰電池儲能系統的火災發生過程可分為初起階段、發展階段、猛烈燃燒階段、熄滅階段。前兩個階段的時間相對較長，火情還沒有蔓延擴散，火災自動報警系統在此刻及時探測到火情，實現早期報警，可對火災進行防控。根據《火力發電廠與變電站設計防火規范》(GB 50229—2006)、《火災自動報警系統設計規范》(GB 50116—2013)等行業相關標準及規范，集裝箱式鋰電池儲能系統中每個集裝箱為一個報警區域，配備區域火災自動報警系統。每個報警區域根據集裝箱內空間布置設置對應的探測區域，探測區域內設置一定數量的點型火災探測器。在此基礎上，增加吸入式感煙探測器，能夠實現早期報警并將該區域的報警信號統一發送至電廠的消防控制中心。根據不同鋰電池的特性，有針對性地增設可燃氣體探測器，能夠提前捕捉到因鋰電池故障而擴散出來的可燃氣體。在增加報警信號采集的同時還應考慮所采集信號的處理方式，例如增加聲光報警器的數量，并將其布置在經常有人員巡邏、值守的場所，并將該區域的報警信號統一發送至電廠的消防控制中心。

根據《氣體滅火系統設計規范》(GB 50370—2005)，自動滅火系統要求采用無導電性的七氟丙烷為滅火劑，并依據惰化設計濃度來設置七氟丙烷滅火劑配備量，同時利用電廠的氮氣生產系統布置一套氮氣滅火系統。自動滅火系統應具備自動運行、自動監測、自動滅火功能。七氟丙烷滅火劑噴灑持續時間為10 s，噴灑完畢后使電池集裝箱保持10 min密封狀態，使滅火劑充分擴散和滅火。當鋰電池集裝箱內氣體滅火裝置無法撲滅箱內火災時，大量、持續噴水是針對鋰電池火災最有效的撲滅方法。通常情況下，鋰電池集裝箱設備現場水滅火系統可利用發電廠或變電站原有消防給水設施，給水壓力應保證消防用水總量達到最大時，水槍充實水柱不應小于13 m，并保證外集裝箱端部安全位置噴水滅火時水柱可達箱內各處。

(二)電氣設計

針對鋰電池儲能系統中可能出現的高電壓、大電流侵入問題，可以從電氣線路防雷防浪涌、通信線路防雷防浪涌、合理的布線與屏蔽、綜合接地與等電位連接四個方面綜合考慮，合理利用電廠現有的防雷及接地設施，同時增加防浪涌設備器件，以提高其抵御高電壓、大電流侵入的能力。針對系統內部可能出現超溫失控的元件、部位、場所應增加超溫控制系統，及時觀察、監測該部位的溫度變化情況，發現溫度超出預定范圍、溫度變化速率異?；驕囟乳L期處于某處不合理的區域等情況，及時發出警報，采取控制該部位的設備退出工作狀態，系統整體停機等措施，以保證系統安全可靠[2]。

(三)防火間距布置

鋰電池集裝箱采用戶外安裝方式，作為電廠或變電站輔助生產設備可滿足快速布置需求。目前全球還缺乏針對鋰電池集裝箱系統的設計規范，因此設計排布方式多種多樣?？紤]到合格鋰電池產品的火災危險等級不高、集裝箱耐火等級高等因素，建議鋰電池集裝箱與相關儲能系統設備間布置距離可按照生產工藝的需求來確定，不做防火間距要求。但鋰電池集裝箱、雙向功率變換裝置(PCS)集裝箱、配電集裝箱(E-House)均應滿足相關戶外防護等級、耐火等級要求。單臺設備發生火災時，應注意對其他設備采取噴水等降溫措施，避免由于熱輻射造成火災擴散。鋰電池集裝箱與電廠或變電站內原有建筑、設備間防火間距建議參照油浸變壓器等戶外電氣設備布置要求，與生產建筑間距應不小于10 m。在有生產工藝或場地限制等要求時，鋰電池集裝箱可與電廠或變電站內原有建筑、設備采用相對緊密的布置方式，但應對原生產建筑朝向鋰電池集裝箱側的門、窗進行封堵，或設置甲級防火門(窗)，墻面與防火門(窗)耐火極限不應小于1 h[3]。

(四)加強消防安全管理

應依法建立消防安全責任制，通過建立防火檢查巡查制度、應急處置制度，明確各級、各崗位的消防安全職責，負責組織實施日常消防安全管理工作。加強對移動儲能電站內用火、用電和易燃可燃物的管理，采取防火措施，有效控制火災危險源。移動儲能電站設備安裝區域出入口不應少于2個，其周圍應設置消防車道，消防車道可利用交通道路實現。要定期開展消防實戰演練，不斷增強員工消防安全素質。將電廠志愿消防隊納入自動報警體系，進一步提高消防隊伍快速反應和聯合作戰能力。