一起箱式儲能電站火災事故的調查與體會

翟小鵬

摘要：電力安全是國家能源安全的重要組成，儲能是保證電力安全、低碳、高效供給的重要技術。儲能電站近年來飛速發展，其中鋰電池儲能系統具有重量輕、能量密度高、循環壽命長等優勢而被廣泛使用，但是其火災危險性也逐漸顯現，引起了社會強烈關注。文章針對一起儲能電站火災事故調查分析，對其安全管理提出了一些建議。

關鍵詞：儲能電站;儲能鋰電池;火災事故;調查工作

1? 火災基本情況

2021年5月10日5時53分，高郵市經濟技術開發區電池產業園某企業生產的箱式儲能電站在試運行期間發生火災，火災過火面積約20m2，直接財產損失14萬元，無人員傷亡。

2? 箱式儲能電站的基本情況

該箱式儲能電站在用電低谷時向電池組充電儲能，在用電高峰時電池組放電回饋電網，對電網起到局部錯峰調谷均衡用電負荷的作用;電站由鋰離子電池組、能量轉換裝置（PCS）、電池管理系統（BMS）、能量管理云平臺（EMS）和儲能集裝箱組成;箱內設有氣體滅火系統、火災自動報警系統、滅火器等消防設施。

3? 火災事故調查情況

火災發生后，消防救援部門與企業技術人員共同進行了現場勘驗和原因分析。

該箱鋰電池儲能電站于2021年4月6日開始運行測試，5月10日當天氣溫19℃～33℃，天氣多云。箱體位于停車場一角，過火范圍在箱內，對周邊建構筑物無影響，儲能站外部設有一根電纜與電網連接。

3.1? 現場勘驗

3.1.1? 箱體勘驗

箱體分為兩個區域，一側為儲能電池區，一側為能量轉換區，中間有鐵質門分隔。鐵質箱體外觀過火變色，其中能量轉換區過火變色較重、漆面火燒發黑，儲能電池區外觀基本完好、漆面局部有輕微變色，排風口有煙熏痕跡。箱體內部均過火變色、漆面火燒發黑，其中能量轉換區過火變形扭曲、部分頂面坍塌，儲能電池區過火變形扭曲。

3.1.2? 能量轉換區勘驗

能量轉換區主要有兩個柜體，分別是儲能變流器和控制裝置（PCS），均過火燒毀。電網輸入端口處接頭脫落粘連在面板上，鐵質面板因短路被大面積燒穿，柜門也有兩處短路燒穿形成小洞口。

打開儲能變流器背面面板，內部線路的絕緣橡膠層均過火脫落、線路裸露，并發生了較為嚴重的過載現象：電網接線處一條銅排線熔斷部分缺失，熔化的銅導線滴落在下方陶瓷片上;變壓器接線處的導線熔斷，熔斷的導線掉落在下方的鐵板上，鐵板有短路燒穿痕跡;PCS與儲能區連接的電纜線有部分殘留，絕緣層完好，透過透明絕緣層可看到內部銅導線。

3.1.3? 儲能電池區勘驗

儲能電池區有兩簇鋰電池模組，每簇鋰電池模組有27個電池模塊，每個電池模塊有144顆鋰電池，每18顆鋰電池連接為一個電池組。儲能區中間為過道，內有七氟丙烷氣體滅火系統儲罐殘留、火災自動報警殘留和匯流柜（BMS）殘留。

簇1電池模組均過火，連接模塊的導線均脫落，鐵質機箱過火變色，電池泄壓口全部脫落。

其中，模塊10、11、13、14機箱內電池擠壓拱起，模塊10、11、26、27機箱外側有短路燒穿痕跡。

模塊10機箱接線處和底部有大面積短路燒穿、機箱扭曲變形向外凸起，內部電池發生鼓脹，中間位置的電池擠壓拱起，電池移位，電池鋁制外包裝熔化燒毀，內部電芯裸露，且接線口處的電池電芯炸出扭曲變形;模塊11機箱頂部、接線處和底部有明顯短路燒穿，電池鼓脹擠壓變形，電池未移位，中間位置電池輕微拱起。模塊13機箱完好，電池鼓脹擠壓變形，電池未移位，中間位置的電池擠壓拱起。模塊14機箱完好，電池鼓脹擠壓變形，電池未移位，中間位置的電池擠壓輕微拱起。模塊27機箱底部有短路燒穿孔洞、電池鼓脹但未擠壓變形;模塊26機箱接線口處有短路燒穿痕跡、電池鼓脹但未擠壓變形。其他模塊電池發生鼓脹、但未發生明顯擠壓變形。

簇2電池模組均過火，連接模塊的導線均脫落，鐵質機箱過火變色。其中，模塊7機箱底部接線口處有短路燒穿，內部電池中間位置發生鼓脹并擠壓拱起，電池未移位;模塊8機箱底部有短路燒穿痕跡，內部電池中間位置發生鼓脹并擠壓輕微拱起，電池未移位;模塊9機箱底部、接線口處有短路燒穿痕跡，內部電池中間位置發生鼓脹并擠壓輕微拱起，電池未移位。其他模塊電池發生鼓脹、但未發生明顯擠壓變形。

氣體滅火系統儲罐過火漆面碳化，壓力表停留在中間位置，仍有彈性，內部氣體完好?；馂淖詣訄缶到y燒毀，墻上有機箱殘留;監控攝像頭燒毀掉落在地面。

3.1.4? 對簇1模塊10進行專項勘驗

模塊10的電池組編號為73#～80#，每18顆鋰電池為一組，發生擠壓變形的為73#電池組1顆鋰電池和80#電池組4顆鋰電池，電池電池電芯熔化缺失，兩組電池之間形成了明顯的碳化坑。

將73#和80#的最外側一排電池取出復原并編號進行勘驗，73#電池組A電池鋁質外殼部分熔化（鋁的熔點660.32℃），電池電芯裸露，外側電芯底部有少量缺失，電芯層未松動。80#電池組B電池鋁制外殼熔化缺失，電池內的兩塊電芯，一塊完全燒毀缺失，一塊底部大部分缺失，只有上部少量殘留，電芯層松動，剝開一層電芯，電芯正極銅箔（銅的熔點1084.62℃）在缺口處有樹枝狀的痕跡;電芯的負極鋁箔已經燒毀，正負極中間的隔膜全部碳化。C電池鋁質外殼熔化缺失，電芯裸露底部有少量缺失，電芯層未松動。D電池鋁質外殼部分熔化缺失，電芯裸露底部有少量缺失，電芯層未松動。E電池鋁質外殼部分熔化缺失，電芯裸露基本完好，電芯層未松動。其他電池鋁制外殼完好，電芯未裸露。簇1的11、13、14號模塊和簇2的7、8、9號模塊電池鋁制外殼部分熔化缺失、電芯部分裸露但基本完好無缺失。

3.1.5? 銅箔邊緣比對

為了分析電芯正極銅箔缺口處樹枝狀痕跡的成因，分別用氬弧切割（6000～8000℃）、煤氣氧氣切割（1800～2000℃）對銅箔進行了切割痕跡比對。

煤氣氧氣切割，銅箔邊緣平滑，無樹枝狀殘留，銅箔火燒發黑;氬弧切割，銅箔邊緣粗糙，有棱角狀殘留，銅箔顏色加深;火場中的銅箔邊緣清晰，表面光亮，銅箔形成樹枝狀特征，分析認為這種樹枝狀的銅箔殘留是鋰電池電芯短路產生的。

3.2? 能量管理云平臺（EMS）查閱

該儲能站每日0時至8時通過電網向電池組充電，8時至12時及17時至24時儲能站向電網放電。5時24分01秒，EMS監管平臺實時監測顯示儲能變流器變位，PCS停止充電，此時無電力輸入，但隨即監測到PCS故障信號、PCS關機，首次PCS直流欠壓告警，首次PCS直流過壓告警，并持續到5時24分13秒PCS直流過壓告警解除。5時44分54秒EMS離線。

BMS電池管理系統可以獨立實時記錄電池運行狀態，由于數據量大主要存儲在自帶硬盤中，但硬盤在火災中完全燒毀。BMS每五分鐘向EMS反饋一次電池運行狀態信號，EMS于5月10日5時25分接受到電池剩余電量已經充滿信號。

EMS接受到事故發生時兩個電池簇的數據，其中簇1模塊11第84號電池組在5時35分溫度達到108℃，隨后溫度不斷升高在5時40分達到65495℃，溫度傳感器已經失效。簇1模塊10第77號電池組在5時35分電壓3.17V后發生突變于5時40分達到65.535V。簇2電池模組數據正常。

儲能站內的視頻監控、火災自動報警系統均在火災中燒毀無法調閱監管數據。

3.3? 事故原因

3.3.1? 起火部位認定

排除能量轉換區。首先發現火災的門衛在5時40分左右首先聽到箱體內發生爆炸，隨后看到能量轉換區通風板有濃煙和火苗冒出，便通知廠內員工首先斷開輸入電源，然后打開了能量轉換區的門進行滅火，儲能區的高溫高壓可燃蒸汽穿過能量轉換區沖出門外，導致能量轉換區火勢猛烈、變色重。

排除簇2電池模組。簇2電池模組監測鋰電池運行各項數值正常，機箱短路燒穿缺失較輕，鋰電池電芯無缺失，可排除起火部位。

排除簇1模塊10第77號電池組，雖然監測顯示77號電池電壓達到65.5V，遠超最高正常電壓3.65V，但現場勘驗發現77號電池組電池除發生鼓脹外，鋁制外殼均完好未熔化缺失、電芯無裸露，說明77號電池組只是瞬間接受到65.5V的最高電壓，其他電池也過壓但不是最高值所以沒有顯示。

排除簇1模塊11第84號電池組，雖然監測顯示84號電池組達到65495℃，說明溫度傳感器已經失效，現場勘驗發現84號電池組電池除發生鼓脹外，鋁制外殼均完好未熔化缺失、電芯無裸露，說明80號電池組起火后瞬間溫度比其他電池最先達到最高值，但并不是最先起火的電池。

綜上所述，認定起火部位位于簇1模塊10，起火點位于模塊10第80號電池組B號電池處，火勢呈現從B號電池向周邊蔓延擴大態勢。

3.3.2? 火災直接原因分析

火災直接原因系儲能區簇1模塊10第80號鋰電池組B號電池充滿電后電芯發生短路，電池殼體膨脹爆炸起火，引起周邊鋰電池高溫膨脹擠壓變形，帶電的電池拱起后接觸到鐵質機箱發生短路，導致儲能區其他鋰電池直流過壓發生連鎖爆燃引發火災。

4? 鋰電池儲能電站火災事故防范與處置的幾點體會

4.1? 正確認識鋰電池儲能電站的火災爆炸危險性

該案中的單個集裝箱儲能站功率達到572kWh，電池模塊54個，每個模塊有144顆鋰電池，隨著技術進步鋰電池能量密度還在不斷提升，每只儲能集裝箱都已成為能量的聚集地。此外，鋰電池電解液主要是由高揮發性、易燃性的有機溶劑組成的，如碳酸二甲酯（DMC），碳酸二乙酯（DEC），碳酸甲乙酯（EMC）等，所以每只集裝箱也是甲類?；返木奂?。雖然箱式儲能電站比一般發電站的建設規模小很多，卻是能量和?；返慕Y合體，火災爆炸的風險較高，具有甲類火災危險性生產廠房的特性。消防救援部門處置鋰電儲能電站事故應當按照處置有限空間內正在發生反應的?；肥鹿暑愋蛠硖幹茫荒馨凑掌胀ㄗ兣潆娬净驇щ娫O備事故類型處置。

4.2? 提高儲能電池的本質安全度

鋰離子電池安全問題主要與電解液易燃易爆特性有關?？蒲袡C構已經研究出向電解液添加阻燃劑能有效抑制電解液燃燒，是提高鋰電池安全性最直接有效的方法，說明實現鋰電池本質安全是可以做到的，只是生產成本增加，尚不能實現市場化應用。電力安全是國家能源安全的重要組成，儲能是保證電力安全、低碳、高效供給的重要技術。當前，需要加強科研攻關，尋找新的高效廉價的阻燃劑，使電解液具有阻燃性甚至完全不燃，對儲能行業的安全發展意義重大。

4.3? 使用絕緣材料或者阻燃材料

該事故發生時，鋰電池均是剩余電量達到98%帶電體，儲能變流器已經停止充電，理論上儲能區電路上是沒有電流的，但是電池發生故障后系統仍然監測到直流過壓，是因為鋰電池變形后接觸到鐵質機箱發生短路、導致更多的鋰電池直流過壓發生連鎖反應。因此，儲能區應當使用絕緣材料搭載電池，避免模塊鐵質機箱帶電發生連鎖反應，導致更大事故的發生。

4.4? 集裝箱設置爆炸泄壓口

鋰電池起火后，在高溫的影響下外殼破裂電解液泄漏，很快形成爆炸性混合氣體，在密閉的集裝箱或者建筑內積聚后極易發生爆炸。該事故中，門衛發現起火后打開了艙室門使用滅火器滅火，箱內壓力得到釋放發生爆燃并未發生爆炸，但回放現場救援視頻仍能看出爆燃能量巨大、火勢強勁。因此，集裝箱式的鋰電池儲能電站在箱體上應當設施泄壓窗口，并且與能量管理云平臺（EMS）聯動，一旦發現有鋰電池超溫、超壓，窗口能夠自動脫落，避免電解液蒸汽箱內積聚;同時，一旦發生爆炸，窗口可以作為排泄壓力或者能量的通道，避免壓力升高導致整個箱體發生破壞，危及現場處置人員安全;泄壓口處應當設置明顯警示標志，提醒現場處置人員躲避。

4.5? 提高軟件運行的可靠性

該起事故中，直流過壓和欠壓都說明鋰電池出現了故障，特別是系統于5時24分01秒監測直流欠壓后，又發生直流過壓狀態持續至5時24分13秒，然而EMS、BMS只起到了監測運行狀態的作用，在已經監測發現故障后，并沒有能夠采取控制措施阻止事故的發生，儲能電站管理系統安全運行存在嚴重缺陷。建議能量管理云平臺EMS應當對能量轉換區和儲能電池區運行狀態全時段實時監測，一旦儲能變流器輸出電壓異?；蛘唠姵貑误w的電壓、溫度、剩余電量等超出設定值，應當立即切斷交流電網和儲能區域的電力;同時，EMS應當啟動應急聯動，發出告警信息至相關人員、快速定位故障模塊、打開泄壓口和排風機防止爆炸性混合氣體積聚等應急操作，阻止事故的蔓延擴大。

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Investigation and experience of a container-type energy storage plant fire accident

Zhai Xiaopeng

Guangling District Fire and Rescue Section of Yangzhou Municipal

Abstract：Electricity security is an important component of national energy security， and energy storage is an important technology to ensure safe， low-carbon and efficient supply of electricity. Energy storage power plants have developed rapidly in recent years， among which lithium battery energy storage systems are widely used with the advantages of light weight， high energy density and long cycle life， but their fire hazards have also gradually emerged and have aroused strong social concern. This paper investigates and analyzes a fire accident in an energy storage power plant and puts forward some suggestions for its safety management.

Keywords：energy storage power plant;lithium energy storage battery;fire accident;investigation work