變電站鈦酸鋰電池并聯直流電源系統消防方案研究

徐立波，龔 泉，楊思安，鄭亞飛，沈誕煜

（1.上海電力設計院有限公司，上海 200025； 2.國網上海市電力公司，上海 200125；3.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，廣東 深圳 518057）

變電站直流電源系統的后備電池通常采用閥控式密封鉛酸蓄電池，其具有工作穩定、性能可靠、價格便宜等優點，但同時存在壽命短、維護工作量大、工作電流范圍小、有氫氣析出、對運行環境溫度要求高等缺點［1］。此外，閥控式密封鉛酸電池內部含有重金屬，如處理不當易產生土壤環境污染。

磷酸鐵鋰電池是近期發展起來的新型二次電池，在電力儲能和電動汽車領域已有廣泛應用，其主要指標顯著優于鉛酸蓄電池［2-3］。近年來偶有發生的磷酸鐵鋰儲能電站安全事故影響了其在變電站的推廣應用［4］。

鈦酸鋰電池采用鈦酸鋰作為負極材料，具有遠高于形成固體電解質界面（SEI）膜和鋰枝晶的鋰嵌入/脫嵌電壓，因而具有良好的安全特性［5］。鈦酸鋰電池在能量密度、循環次數、充放電速率、低溫特性等各項性能指標上也大幅優于鉛酸蓄電池，是一種可行的變電站直流電源系統后備電源儲能器件替代方案。

近年來，許多學者對鈦酸鋰電池的安全性能和消防措施開展研究。文獻［6］分析了幾種不同鈦酸鋰體系鋰離子電池國內外研究現狀及應用前景，提出其是高倍率、長壽命鋰離子電池負極材料的首選。文獻［7］提出鈦酸鋰材料因同時具有高安全性和高倍率性能，具備作為軍用鋰電池負極材料的潛力。文獻［8］以商用鈦酸鋰電池為研究對象，對其進行外部短路、過充、針刺、加熱和火焰共5 項安全性能測試，結果表明鈦酸鋰電池具備非常優異的安全性能。文獻［9］利用過充、針刺、加熱等方式對鈦酸鋰電池進行了熱失控觸發的試驗研究，結果表明鈦酸鋰電池在極端過充和持續加熱情況下會引發電池熱失控。文獻［10］表明鈦酸鋰電池在電濫用時會出現熱失控，提出了使用全氟己酮抑制劑在電池爆噴前對使用空間進行惰化的解決思路，并通過實體試驗，驗證了提前釋放抑制劑可有效抑制電池組的熱失控擴展。

上述文獻表明鈦酸鋰電池具有很高的安全性，但在極端情況還是會出現熱失控情況。考慮到變電站通常采用無人值班的運維方式，為進一步提升鈦酸鋰電池在變電站直流電源系統應用的安全性，提出一種適用于變電站場景的直流電源系統全氟己酮自動滅火系統消防方案。

1 鈦酸鋰電池的特點與應用

1.1 鈦酸鋰電池的特點

鈦酸鋰電池作為鋰離子電池的一種，其正極材料為錳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰中的一種或幾種，負極材料為鈦酸鋰（Li4Ti5O12）［6］。與其他采用石墨作為負極材料的鋰離子電池相比，鈦酸鋰電池具有安全性高、充放電倍率高、低溫性能好、循環壽命長和荷電狀態（SOC）范圍寬等5大優勢。

1.2 鈦酸鋰電池與鉛酸電池的對比

鈦酸鋰電池與鉛酸蓄電池的參數對比情況如表1 所示。與常規閥控式密封鉛酸蓄電池相比，鈦酸鋰電池在比能量、環保性能、循環次數和充放電倍率等方面具有顯著優勢。鈦酸鋰電池具備本質安全性能，其在直流電源系統中的可靠性有待工程實踐加以驗證。鈦酸鋰電池的劣勢是價格較高，限制了其在變電站的推廣應用。

1.3 鈦酸鋰電池應用于變電站的適用性

變電站直流電源系統后備電池需優先考慮安全性。磷酸鐵鋰和三元鋰電池的安全性顯著低于閥控鉛酸蓄電池，限制了這兩種電池在變電站直流電源系統的應用。鈦酸鋰電池的安全性可與閥控鉛酸蓄電池相媲美，在外部短路、過充、針刺、加熱和火焰等試驗中，鈦酸鋰電池都能經受住考驗，不會發生起火和爆炸［8］。

鈦酸鋰電池的低溫特性好，對于處于寒冷地區的變電站具有很好的環境適應性。鈦酸鋰電池的比能量是閥控鉛酸電池的2 倍，在相同電量下顯著減輕電池荷載質量。此外，鈦酸鋰電池的循環壽命、日歷壽命均顯著高于閥控鉛酸電池，可減少后期電池更換頻次。

鈦酸鋰電池主要存在以下兩個缺點。

（1）鈦酸鋰電池價格較為昂貴，約為磷酸鐵鋰電池的2 倍。當鈦酸鋰電池市場容量擴大產生規模效應后，鈦酸鋰電池的價格水平預計會有所下降。

（2）能量密度稍低。鈦酸鋰電池的能量密度約為磷酸鐵鋰的2/3、三元鋰的1/2，但高于閥控鉛酸電池，約為其2 倍。變電站直流電源系統后備電池容量不高，即使能量密度不高也不會對電池的應用帶來顯著的影響。

2 變電站鈦酸鋰電池并聯直流電源系統方案

2.1 并聯電池智能組件

常規變電站直流電源系統電池采用串聯方案，存在電池單體性能影響整組輸出、電池參數需嚴格保持一致、無法實現在線全容量核容及更換等缺點［1］。

并聯直流電源系統方案中，將12 V 電池組與具備AC/DC 整流和電池組充放電功能的電源模塊組成并聯電池智能組件，電池組與電源模塊一一對應，電池組通過電源模塊間接并聯接入220 V或110 V 直流母線。

2.2 并聯電池配置方案

上海某110 kV 變電站試點采用分布式鈦酸鋰電池并聯直流電源系統，分為兩套直流電源系統，分別供給二次設備室直流負荷和110，10 kV配電裝置室的直流負荷。經容量計算，分別需采用22 組12 V/180 A·h 的鈦酸鋰電池組和14 組12 V/90 A·h 的鈦酸鋰電池組。

110 kV 變電站并聯直流電源系統接線如圖1所示。

圖1 110 kV 變電站并聯直流電源系統接線

鈦酸鋰電池單體的標稱電壓為2.45 V、標稱容量為30 A·h。因此，12 V/90 A·h 電池組采用單體5 串3 并，12 V/180 A·h 電池組單體5 串6并，采用先并后串的成組方式，這種結構成組簡單，成本較低，適用于并聯數量較少的場合［11］。

2.3 直流電源系統布置方案

根據DL 5027—2015《電力設備典型消防規程》［12］的規定，鋰離子電池應設置在專用房間內。考慮將兩套直流電源系統的并聯電池智能組件組柜布置于變電站電池室內。

22 組12 V/180 A·h 系統配置4 面屏柜，每面屏柜下方布置4 個或6 個并聯電池智能組件。14組12 V/90 A·h 系統配置2 面屏柜，2 面屏柜下方分別布置6 個和8 個并聯電池智能組件。兩套直流電源系統的饋線單元分別布置于二次設備室和10 kV 配電裝置室。

3 變電站鈦酸鋰電池直流電源系統消防方案

3.1 電池室的消防方案

電池室的消防方案包括火災自動報警、固定滅火系統和事故排風等內容。

電池室應設置火災自動報警系統，宜配置防爆型感煙或吸氣式感煙探測器［13-14］。同時，由于鈦酸鋰電池在熱失控等故障狀態下會釋放H2，CO 等可燃氣體［10］，電池室還應獨立配置可燃氣體探測報警系統。H2，CO 氣體的密度分別小于或與空氣密度相當，根據規范的要求，可燃氣體探測器應設置在電池室頂部［14］。

固定滅火系統一般可選用氣體滅火、水噴霧或細水霧等形式。由于鋰離子電池安裝于屏柜內，電池室配置氣體滅火系統對于撲滅電池火災效果有限，因此不建議電池室配置氣體滅火系統。電池室可選配水噴霧或細水霧自動滅火系統，實現對電池組的持續冷卻，從而控制熱失控。

關于事故排風，電池室應裝設防爆型排風機，并與可燃氣體報警裝置聯動。當空氣中可燃氣體達到爆炸下限的25%時，通風系統應能自動投入運行［15］；當電池室自動滅火系統啟動時，應聯動關閉通風系統。

3.2 全氟己酮滅火系統消防方案

3.2.1 全氟己酮滅火劑特性

全氟己酮滅火劑常溫下是一種透明、無色、絕緣的液體，釋放后無殘留，綠色環保，最先由美國3M 公司研制開發，商標為Novec1230［16］。全氟己酮是以物理吸熱為主的潔凈氣體滅火劑，釋放后與空氣形成氣態混合物，其滅火原理主要包括化學抑制和物理冷卻。

全氟己酮可通過與燃燒自由基的結合來阻斷燃燒反應實現化學抑制，并且通過液態至氣態的相變吸收火災釋放的熱量達到物理冷卻的作用。全氟己酮滅火系統適用于E 類火災（帶電火災）。

3.2.2 系統方案

全氟己酮滅火系統以電池柜為單位進行全空間淹沒式滅火，實現對電池柜體內部的高效安全防護。

全氟己酮滅火系統結構如圖2 所示，由監測模塊、滅火主機、霧化噴頭、分流閥、報警模塊、輸出模塊等組成。

圖2 全氟己酮滅火系統結構

監測模塊主要監測揮發性有機化合物（VOC）、CO、煙霧等的含量以及溫度值。當電池發生故障或火災時，監測模塊采集到異常數據后向滅火主機告警。集成滅火劑的滅火主機判斷報警等級采取相應措施，必要時將通過管網系統通過分流閥同時向各個噴頭的防護空間內注入全氟己酮滅火劑。電池柜內全氟己酮的體積分數達到4%～6%時，即可有效撲滅明火，抑制火災在電池柜內的蔓延擴散。報警模塊具備就地或遠程手動啟動滅火系統的功能。輸出模塊用于輸出報警信號和與電池室通風系統的聯動控制。

3.2.3 布置方案

全氟己酮滅火系統在每個電池柜內分別布置1 臺滅火主機、2 個監測模塊、3 個霧化噴頭、3 個分流閥和1 個報警模塊。滅火主機布置于柜體上部，監測模塊靠近電池組對側布置，在每個電池柜的頂部和中部分別布置2 個和1 個霧化噴頭，由3 根支管路匯總至3 個2 路雙通方形分流閥體，再由主管至滅火主機。報警模塊布置于方便操作的位置。

3.2.4 滅火策略

全氟己酮滅火系統具備三級報警和自動滅火功能，各報警等級監測的數據和輸出策略如表2所示。

表2 全氟己酮滅火系統分級報警策略

滅火系統任一監測模塊監測到VOC 和煙霧含量超標時為一級報警，將輸出報警信號；任一監測模塊監測到VOC 和CO 含量超標時屬于二級報警，將聯動風機進行事故排風；任一監測模塊監測到VOC，CO 含量和溫度超標時，屬于最嚴重的三級報警，此時滅火主機會啟動噴淋模式，由3 個霧化噴頭同時噴出全氟己酮滅火劑。

滅火劑噴射的策略是首先噴射大量的全氟己酮進行滅火，降低柜內可燃氣體的含量。隨后根據溫度變化，多次少量地間歇噴射全氟己酮，進行有效降溫和維持柜內全氟己酮的滅火濃度，防止電池發生復燃。

3.3 消防系統的聯動與配合

電池柜內全氟己酮滅火系統需與變電站內消防設施聯動配合，才能更好地發揮系統的安全防護作用。

當滅火系統處于一級報警時，應將報警信號同步反饋至變電站火災報警系統和自動化監控系統，向遠程值班的運維人員發出告警信息。

當滅火系統處于二級報警時，應聯動開啟電池室風機進行事故排風，降低可燃氣體含量。

當滅火系統處于三級報警時，應聯動關閉風機，保持電池室和電池柜內的全氟己酮滅火劑一定的濃度值。電池室內配置水噴霧或細水霧自動滅火系統時應觸發啟動，可以及時降低電池柜內的溫度和環境溫度，防止電池發生復燃和熱失控傳播。

4 結語

（1）與鉛酸蓄電池相比，鈦酸鋰電池在比能量、循環次數、充放電倍率等方面具有顯著優勢，且不產生重金屬污染，適合作為變電站直流電源系統的后備電源。與磷酸鐵鋰電池相比，鈦酸鋰電池不易產生鋰枝晶，具有更高的安全性，待后續電池價格下降后將更具替代優勢。

（2）110 kV 變電站并聯直流電源系統采用12 V 電池組，根據鈦酸鋰電池電壓采用5 只電池單體串聯，由電池組容量確定電池單體并聯數，推薦采用先并后串的成組方式。

（3）鈦酸鋰電池組柜需布置于專用電池室內。電池室內設置火災自動報警系統和可燃氣體探測報警系統，可選擇設置細水霧自動滅火系統，實現對電池組的持續冷卻。電池柜內建議配置全氟己酮自動滅火系統，重點介紹了電池柜內配置的全氟己酮自動滅火系統的組成、布置和分級報警及聯動控制方案，實現電池組故障后的自動滅火功能，防止熱失控事故的擴大。