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引言

隨著風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比例的持續(xù)增長(zhǎng)，以及對(duì)間歇性和波動(dòng)性能源接入需求的增加，加之鋰電池成本的降低，鋰電池儲(chǔ)能電站正在新能源并網(wǎng)和電力系統(tǒng)輔助服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，隨著鋰電池儲(chǔ)能電站建設(shè)的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于這些電站的火災(zāi)事件逐漸增多，引起了公眾對(duì)鋰電池儲(chǔ)能電站消防安全的高度關(guān)注。因此，本文將對(duì)鋰電池儲(chǔ)能電站的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入分析，并探討研究相關(guān)的火災(zāi)預(yù)防和應(yīng)急處置策略。

1、鋰電池儲(chǔ)能電站概述

1.1 鋰電池儲(chǔ)能電站應(yīng)用

鋰電池儲(chǔ)能電站因其高效率、靈活性和快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，成為增強(qiáng)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的關(guān)鍵工具，符合能源革命的發(fā)展趨勢(shì)，并且其應(yīng)用在全球范圍內(nèi)不斷增長(zhǎng)。到2020年底，中國(guó)新型電力儲(chǔ)能裝機(jī)容量已達(dá)到3.288吉瓦，預(yù)計(jì)到2025年將增至3000萬(wàn)千瓦以上。投運(yùn)的鋰電池儲(chǔ)能電站將整合到源網(wǎng)荷儲(chǔ)控制系統(tǒng)中，提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用和應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)，滿足電網(wǎng)對(duì)可再生能源接納和安全運(yùn)行的需求，同時(shí)在提升能源利用效率和推動(dòng)綠色能源發(fā)展方面扮演重要角色。

1.2 鋰電池儲(chǔ)能電站組成

鋰電池單體串聯(lián)并聯(lián)形成電池模塊，再串聯(lián)成模塊電池箱，多個(gè)電池箱并聯(lián)后置于集裝箱內(nèi)形成儲(chǔ)能電池艙。多個(gè)電池艙與PCS、SVG、總控等系統(tǒng)配套艙組合，構(gòu)成鋰電池儲(chǔ)能電站。

2、鋰電池儲(chǔ)能電站的火災(zāi)危險(xiǎn)性

2.1 鋰電池單體的火災(zāi)危險(xiǎn)性

1）鋰電池的構(gòu)造。

鋰電池通常由正極、隔膜、負(fù)極、有機(jī)電解液以及電池外殼構(gòu)成，它們能夠適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景，并呈現(xiàn)出不同的形狀與結(jié)構(gòu)（如圖所示）。在鋰電池中，負(fù)極材料通常采用石墨。電解液的溶劑一般為碳酸酯類，盡管添加劑可能有所差異。正極材料在鋰電池中差異顯著，常見(jiàn)的有磷酸鐵鋰、錳酸鋰以及三元材料等。隔膜的主要功能是隔離正負(fù)極，防止電子通過(guò)，同時(shí)允許鋰離子自由穿梭。鋰電池的充放電過(guò)程依賴于鋰離子在正負(fù)極之間的遷移（如圖所示）。需要注意的是，鋰電池的電極材料、隔膜和電解液均為易燃物質(zhì)，其中隔膜的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)尤為突出。

幾種形狀的鋰電池結(jié)構(gòu) 鋰電池充放電原理圖

2）鋰電池火災(zāi)危險(xiǎn)性

鋰電池存儲(chǔ)大量能量，存在安全隱患，熱失控是其起火主因。熱失控通常由以下因素引起：內(nèi)部短路，由于鋰枝晶穿透薄隔膜；過(guò)充過(guò)放電，導(dǎo)致電池溫度升高和電解液分解；化學(xué)反應(yīng)放熱，電池電壓升高引發(fā)副反應(yīng)；制造工藝缺陷，如電芯極耳過(guò)長(zhǎng)或隔膜微孔洞；使用過(guò)程中的缺陷，如電池性能不一致或受到物理?yè)p害。這些因素都可能引起鋰電池?zé)崾Э?，最終導(dǎo)致起火或爆炸。

2.2 鋰電池儲(chǔ)能電站的火災(zāi)危險(xiǎn)性

1）鋰電池單體熱失控

鋰電池儲(chǔ)能電站因其復(fù)雜的串并聯(lián)配置、大規(guī)模和高功率運(yùn)行而。但若單個(gè)鋰電池發(fā)生熱失控，會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)和輻射影響鄰近電池，引發(fā)連鎖反應(yīng)。由于電池間線路連接，火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)增加，可能引發(fā)整個(gè)電池艙火災(zāi)并迅速擴(kuò)散。

2）電氣故障

電氣故障是導(dǎo)致鋰電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)的主要因素，由于電站內(nèi)除了鋰電池還有許多附屬電氣設(shè)備，這些設(shè)備若管理不當(dāng)，可能導(dǎo)致火災(zāi)。例如，意外的大電流或高電壓，如雷電和浪涌，可能侵入電站引發(fā)火災(zāi)。這主要是因?yàn)殡娬緝?nèi)電氣設(shè)備集成度高，對(duì)大電流和高電壓的防護(hù)能力有限，同時(shí)電站內(nèi)通信線路眾多，增加了這些危險(xiǎn)因素侵入的途徑。

3）電池管理系統(tǒng)失效

電池管理系統(tǒng)(BMS)在鋰電池儲(chǔ)能電站中至關(guān)重要，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)并管理充電放電過(guò)程，確保安全運(yùn)行。若BMS維護(hù)不當(dāng)，可能導(dǎo)致火災(zāi)。例如，一起火災(zāi)案例顯示，電站起火后3秒內(nèi)BMS爆燃，導(dǎo)致電池端拉弧爆燃。檢查發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期超溫導(dǎo)致電氣元件腐蝕、絕緣老化，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，影響了監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能。

4）施工維修過(guò)程不規(guī)范操作

鋰電池儲(chǔ)能電站由眾多鋰電池單體組成，具有高容量，短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生大電流。不規(guī)范的施工檢修操作可能導(dǎo)致火災(zāi)。例如，在一個(gè)建設(shè)周期短的鋰電池儲(chǔ)能電站項(xiàng)目中，由于施工人員長(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致操作失誤，功率線正負(fù)極接反，造成電池短路并引發(fā)火災(zāi)。

3、鋰電池儲(chǔ)能電站的火災(zāi)防范對(duì)策

1）提高鋰電池自身的安全防御

選用質(zhì)量可靠的鋰電池產(chǎn)品用于儲(chǔ)能電站，避免使用性能退化的退役電池。在電池模塊成組前，篩選單體電池以確保關(guān)鍵參數(shù)一致性。安裝先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)(BMS)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保電池效率和安全，同時(shí)維持電池工作在合適溫區(qū)并保持一致性。

2）加強(qiáng)儲(chǔ)能電站的建設(shè)、維護(hù)和管理

鋰電池儲(chǔ)能電站不得建于人員密集、高層、地下或易燃易爆區(qū)域。必須使用符合規(guī)格的設(shè)備和電氣線路，確保部件匹配，避免電氣故障。設(shè)計(jì)需考慮安全保護(hù)，滿足防火防爆標(biāo)準(zhǔn)。電池艙應(yīng)有隔熱阻燃層，使用耐高溫材料，配備防爆排風(fēng)系統(tǒng)，保持適當(dāng)防火間距，確保防火分隔和封堵措施。電站應(yīng)具備消防設(shè)施。施工管理要嚴(yán)格，確保專業(yè)施工和連接部位牢固。運(yùn)營(yíng)期間，需定期由專業(yè)技術(shù)人員檢查和維護(hù)設(shè)備，消除隱患，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

3）鋰電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)的盡早探測(cè)

火災(zāi)發(fā)展分為四個(gè)階段：初起、發(fā)展、猛烈和熄滅。在初起階段，火勢(shì)未蔓延，自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能及時(shí)探測(cè)火警并處置，減少損害。目前主要使用感煙和感溫探測(cè)器，但它們需等到煙霧和溫度充滿空間后才能預(yù)警。采用吸入式感煙探測(cè)器可提前報(bào)警。針對(duì)不同鋰電池燃燒產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，增設(shè)特定氣體探測(cè)器有助于早期發(fā)現(xiàn)火情，防止火災(zāi)蔓延。在每個(gè)電池箱內(nèi)部安裝探測(cè)器，能更早發(fā)現(xiàn)故障并精確定位問(wèn)題電池箱。1870-02111-382

4）鋰電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)的快速抑制

鋰電池儲(chǔ)能站通常使用七氟丙烷自動(dòng)滅火系統(tǒng)，但該系統(tǒng)無(wú)法精準(zhǔn)作用于熱失控電池箱內(nèi)部，僅能撲滅明火。由于鋰電池燃燒不依賴氧氣，傳統(tǒng)滅火方法無(wú)效。持續(xù)冷卻對(duì)抑制內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)至關(guān)重要，以防止復(fù)燃。水是有效的降溫滅火劑，但需注意防止觸電，滅火前應(yīng)斷電。建議使用模塊級(jí)分布式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)防護(hù)，及時(shí)抑制熱失控引發(fā)的火災(zāi)。

4、安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

4.1 概述

安科瑞的Acrel-2000MG儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)專為工商業(yè)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)，具備數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、查詢分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、策略管理及歷史曲線等功能。策略管理支持多種控制策略，如計(jì)劃曲線、削峰填谷等。系統(tǒng)能統(tǒng)一監(jiān)控管理各儲(chǔ)能單元，并與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)及云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.2 應(yīng)用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲(chǔ)能電站、新能源配儲(chǔ)電站。

4.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4 系統(tǒng)功能

實(shí)時(shí)監(jiān)管

實(shí)時(shí)監(jiān)控微電網(wǎng)的運(yùn)行至關(guān)重要，它涵蓋了市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁以及用電負(fù)荷等多個(gè)方面。此外，監(jiān)控還應(yīng)包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況以及節(jié)能減排的相關(guān)信息。

智能監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機(jī)、儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器以及用電設(shè)備，以全面掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

功率預(yù)測(cè)

對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)執(zhí)行短期和超短期的發(fā)電功率預(yù)測(cè)，同時(shí)呈現(xiàn)預(yù)測(cè)的合格率和誤差分析。

收益分析

用戶能夠檢視光伏、儲(chǔ)能以及充電樁三個(gè)領(lǐng)域的每日電量與收益數(shù)據(jù)，并且具備切換至年報(bào)模式以查看每月電量與收益的功能。

策略配置

主要涉及對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成、基礎(chǔ)參數(shù)、運(yùn)行策略以及統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的設(shè)定。策略方面，它包括計(jì)劃曲線、峰谷調(diào)節(jié)、需量管理、新能源整合以及逆功率控制等關(guān)鍵要素。

4.5硬件及其配套產(chǎn)品

5、結(jié)語(yǔ)

隨著鋰電池儲(chǔ)能電站的規(guī)模化應(yīng)用，確保其消防安全已成為發(fā)展的首要任務(wù)。鋰電池制造商需加速技術(shù)革新，深入研究鋰電池的火災(zāi)機(jī)理，并改進(jìn)生產(chǎn)工藝，以制造出更安全的電池產(chǎn)品。同時(shí)，設(shè)計(jì)和施工企業(yè)應(yīng)構(gòu)建具備高安全保護(hù)性能的鋰電池儲(chǔ)能電站，并確保電池安裝過(guò)程的安全性。運(yùn)營(yíng)企業(yè)則應(yīng)采用多種火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警探測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便盡早發(fā)現(xiàn)異常情況，降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。此外，必須確保在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，通過(guò)熟練的預(yù)防措施和緊急情況下的有效處置，提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理能力，防止火勢(shì)蔓延，將災(zāi)害影響降至低。

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