发布时间：2021-08-23T11:18:36.967Z 来源：《当代电力文化》2021年12期作者：郝国庆林广明[导读] 近年来，为解决新能源行业弃风弃光问题，充分挖掘源、网、荷侧的灵活调节潜力，加快构建新型电力系统，推动绿电力发展的可持续性，与之配套的储能电站建设步入快车道郝国庆林广明上海电气集团股份有限公司电站分公司上海市 20110 摘要：近年来，为解决新能源行业弃风弃光问题，充分挖掘源、网、荷侧的灵活调节潜力，加快构建新型电力系统，推动绿电力发展的可持续性，与之配套的储能电站建设步入快车道。国内储能电站以锂电池为代表的电化学储能为主，电化学储能电站一旦发生火灾、爆炸事故，将给储能电站带来毁灭性的损失，同时也对电网安全带来较为严重的挑战。分析电化学储能电站火灾、爆炸事故原因，研究火 灾、爆炸事故预防措施及管控要求，促进储能电站行业安全、稳定发展，使其成为国内新能源产业发展的助推剂。
关键词：储能电站；火灾、爆炸；原因；预防措施；管控引言 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号院内储能电站发生火灾事故，消防队调派47辆消防车235名消防员到场处置。在对发生火灾的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，电站内1名员工失联。目前事故原因正在调查之中，该事故是我国首次造成重大人员伤亡
的电化学储能电站火灾、爆炸事故，此次事故将储能电站消防安全问题推上风口浪尖。 1电化学储能电站火灾爆炸常见原因分析国内电化学储能电站以锂离子电池储能为主，包括涉事储能电站。以下以锂离子电池储能为例分析，电化学储能电站火灾事故的原因一般源于三个方面。
1.1人的因素
储能电站属于新兴行业，从业人员多数来自传统电力行业，人员专业知识和技能存在一定的局限性，短时间内无法全面掌握储能电站安装、调试、运行、维护、检修的所有环节。电化学储能系统具有高电压、高能量以及充放电频繁的特性，在集成、安装、调试、运行等过程中，现场人员如果操作失误或者现场处置不当，很容易引发火灾、爆炸事故。
1.2电化学储能电池系统本身的因素
由于国内暂未出台储能电站电池选型及技术要求的统一标准，目前储能电站建设对选型的电池模组要求参差不齐，以全国首座共享储能电站--青海格尔木美满新能源闵行储能电站为例，站内电池组为建设方上海电气下属工厂自行生产，电池模组是否符合安全相关的标准，电池系统的健康状态是否良好等，并未进行第三方检测机构的认证，电池模组本身的安全性存在一定的不确定性。
储能电站电池发生燃烧爆炸的根源在于电池热失控，热失控的诱因通常有电池内部原因和外部原因两种。
内部原因：电池本身制造过程中电芯可能存在未被发现的瑕疵、毛刺、颗粒等缺陷，电池在长期使用过程中由于维护不到位、充放电不合理和运行环境恶劣等因素促使电池提前老化，电芯内部产生了枝晶锂。以上隐患可能触发电池内短路，从而引发热失控。外部原因：储能系统运行过程中BMS、PCS 异常，导致监控误差不一致，监测失效，电池以外的电路发生短路或受到电、热冲击，作用到电池本体，致使电池内部出现不可逆的放热反应。
1.3储能电池系统以外的因素
目前储能电站多为风电、光伏发电、网源侧的配套设施，运行环境较为恶劣，特别是西北区域的储能电站长期处于大风、沙尘的气象环境，可能造成储能系统内部灰尘积聚，一方面不利于储能系统的散热，提高储能系统运行温度，另一方面沙尘的存在，对系统的绝缘造成不利影响。在对青海格尔木共享储能电站开展安全检查时曾发现：电池室等建筑内有较多沙粒/尘情况，电池模组、逆变器、电气设备、变压器等有沙/尘积附现象，可能导致爬电、电气短路、绝缘击穿等现象，最终可能触发电气火灾。 2电化学储能电站火灾危险性分析电化学储能电站的火灾危险性主要体现在锂电池的火灾危险性、电气设备的火灾危险性和火灾对储能电站周边设施的危害等方面。
2.1锂电池的火灾危险性
锂电池火灾是电池在热失控状态下，内部电解液迅速分解，释放出大量的热量和一氧化碳、氢气、甲烷
、乙烷等可燃气体，当释放出的可燃性气体浓度达到一定程度后，遇高温或明火就会发生燃烧、爆炸。由于储能电站的电池模组都是高密度集中布置，只要其中一个电池模组出现异常，发生热失控燃烧，就难以做到完全阻隔其他电池模组不受任何影响。以青海格尔木共享储能电站为例，储能电池集中存放在总面积约为1000㎡的6个电池室内，共计52个电池簇，储能容量：32MW/64MWh。该储能电站的电池就具有典型的高密度且集中分布的特点，多个电池模块通过串联形成单个电池组，19个电池组通过并联形成一个电池簇。这种集中式、高密度电池存放模式也会生产电池故障率的叠加效应，一旦电池发生火灾，电池之间就难以做到有效阻隔，导致火灾迅速蔓延并极有可能在短时间内发生爆炸。
2.2电气设备的火灾危险性
储能电站需配套数量众多的箱式变压器、大功能的储能变流器、电池充放电设备、相关继电保护设备、二次电气设备以及大量的附属电气设备等。这些设备的异常状态、违章操作以及产品、设计缺陷均增加了储能电站整体的火灾危险性。电池簇与变流器之间通过直流母线连接，直流母线的绝缘要求较高，如果存在缺陷可能发生电弧火花，由于直流电流没有过零点，不易熄灭，高温电弧易引发电池、线缆等易燃物的火灾。储能电站在运行过程中，意外的高电压、大电流( 雷电、浪涌) 侵入、保护元件失效等都可能引发电气设备火灾。一旦发生的电气火灾不能第一时间处置，极可能引发电池热失控，造成电池系统发生火灾、爆炸。
2.3火灾对储能电站周边设施/人员的危害
储能电站一般布置在变电所/新能源电站/换流站等重要电力设施附近，一旦发生火灾，如不能及时有效控制火情，极易造成火势迅速蔓延，甚至引发电池组发生连锁爆炸，危及周边重要设施，进而造成更为严重的经济损失和电网事故。另外，锂电池在发生热失控或燃烧时也会产生大量一氧化碳、氯化氢、氟化氢等有毒有害气体，如果不能及时对周围人员进行疏散撤离，有毒有害气体会对人员生命健康造成危害。
3储能电站火灾防范措施
据公开信息查询，当前电化学储能电站的行业标准尚待完善，中电联标准《电化学储能电站安全技术要求》和《电化学储能电站检修规程》公开征求意见后仍未发布。参照以上征求意见稿、《电化学储能电站设计规范GB51048》、《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范TCEC373》要求及行业通用做法，从电池安全技术防范、火灾自动报警系统、自动灭火及消防设施、安全保护系统设计、建筑耐火等级、防火布置及消防安全管理等方面探讨电化学储能电站火灾的防控措施。
3.1电池安全技术防范措施
为了保障储能电池系统安全和稳定，针对储能电池电芯、核心零部件选型、热设计与热管理、环境适应性设计等方面采取安全技术保障措施。选择安全性高的材料体系，采用负极容量过量、陶瓷隔膜、包覆余量等安全技术手段，同时对电池盖板和壳体结构进行安全优化设计。在生产制造过程中通过环境管控
、工艺优化、设备优化、过程检验等多重品质优化和控制手段，全方位保证电池安全性。出厂的电池模组要通过第三方权威机构的安全强制测试（GB/T31485-2016、GB/T38031-2020、QC743-2007等标准）并出具测试认证报告。
作为电池的安全保证，采用安全阀泄压机制，提升防短路和过充的能力。安全阀的设计应充分考虑电芯形状和电芯容量，采用最优的尺寸和形状等参数设计，结合电池不同使用条件设置合理的开启压力，保证电池一旦出现安全问题，及时开启泄压，避免进一步发生热失控。大容量方形电池采用正极与壳体弱导的设计，能够避免铝壳发生腐蚀的风险，进而也降低了由于铝壳腐蚀造成短路发生的风险。
3.2火灾自动报警系统的设置
储能电站火灾自动报警系统应具备探测电池模组内可燃性气体浓度、烟雾浓度、电池表面温度、电池模组内环境温度的功能；同时具有故障自检与故障诊断功能，可以自行作用，也可以与消防控制室和集控室进行联动，消防控制室和集控室均应可以控制火灾自动报警及灭火系统工作。探测器宜安装在电池室、电池簇或电池模组顶部，声光报警器应布置在经常有人员巡检、值守的场所。
根据锂电池储能火灾危险性的分析，当电池储能系统出现电池电芯温度过高、电池室发现可燃气体、电气设备出现电弧火花等火情预兆或者火灾发生初期，火灾自动报警系统应能及时准确的探测到火情，实现即时报警。在无人值守/干涉的状态下，通过温度传感器、可燃气体传感器和烟雾传感器进行三级报警
时，可与自动灭火系统、BMS系统进行联动，自主切断、隔离故障电池组，及时处置初始火灾，确保火情在没有扩散蔓延时得以消除。
3.3自动灭火系统及消防设施的设置
储能电站电池室内应配置自动灭火系统，灭火剂宜采用无导电性的七氟丙烷。该灭火剂灭火速度快、灭火效能高、毒性低，对电池模组及附属设备无污染且灭火装置密封性能好。自动灭火系统启动时应与BMS、PCS系统联动，根据“先断电、后灭火”的原则，先行断开舱室级变流器、簇级继电器和通风系统后，方可启动七氟丙烷气体自动灭火程序。七氟丙烷灭火剂应根据《气体灭火系统设计规范》( GB 50370—2005)核算配备量，确保灭火系统应能在10s内快速扑灭单个电池组火灾，并在明火扑灭后30 min内不应出现复燃。
储能电站其他部位的消防设施配置应按照“预防为主、统筹兼顾、安全适用、满足需求”的原则进行。基于站内可能发生的火灾情况，在储能变流器室、二次设备室、35KV高压配电室规范设置移动式灭火器、洁净气体灭火器、消防箱；室外电气设备附近设置手提式灭火器；箱变区设置砂箱，并在适当位置布置推车式灭火器。确保配备的消防器材的数量和位置，保证满足火灾预防和灭火的要求。
3.4安全保护系统设计
首先电池本体应具有安全保护设计。在充放电过程中遇明火、短路、过充过放、撞击、雷电等各种意外因素时，不应发生热失控。电池模块成组设计时，应具有在短路、触电、绝缘击穿等紧急情况下迅速断开回路，进行安全隔离的技术措施。电池模块成组前，应对单体电池进行筛选，确保电压、电流、容量、内阻、自放电等重要参数一致。BMS系统应具备电池欠压保护、过压保护、过流保护、绝缘保护等电量保护功能和过温、可燃气体等非电量保护功能，设置科学合理的动作阈值，确保电池组安全、可靠。针对可能出现超温失控的元件、部位、场所增加温度监控系统，监测重点部位的温度变化，发现温度超出预定范围、温度变化速率异常等情况，及时发出警报，采取控制异常设备退出、系统停机等措施，保证电池系统安全可靠。
3.5建筑耐火等级及防火布置
根据《电化学储能电站设计规范GB51048》有关要求，锂电池储能电站内各建、构筑物和设备的火灾危险分类及最低耐火等级应符合下表的规定。
建、构筑物和设备的火灾危险分类及最低耐火等级（锂电池储能电站）
当不同的设备布置在一幢建筑物或联合建筑物内时，则其建筑物的火灾危险性分类及其耐火等级除另有防火隔离措施外，应按火灾危险性类别和耐火等级高者选用。
对于预制舱式锂电池储能电站，电池预制舱应单层布置。预制舱之间的防火间距：长边端不应小于3m，短边端不应小于4m；当采用防火墙时，防火间距不限，但防火墙高度和长度应超出预制舱外廓1m。考虑到锂电池存在火灾爆炸的可能，建议锂电储能单元区之间及相关
储能系统设备间的防火间距，参考《建筑设计防火规范GB50016》中“甲类仓库的防火间距”或“可燃材料堆场的防火间距”的相关要求布置。
3.6加强消防安全管理
储能电站作为消防安全管理重点单位，在正式投运前须建立健全消防安全责任制。确定消防安全责任人、消防安全管理人员和每个防火区域的防火责任人，逐级明确消防安全职责。站内运行维护人员应结合电气设备日常巡检定期进行防火巡查，发现火灾隐患立即报告、处置。站内区域动火作业严格按照《电力设备典型消防规程DL5027》和“两票三制”有关规定执行动火工作票，落实防火措施。针对电池热失控、温度异常、电气短路等紧急情况制定火灾应急预案，预案应符合实际和有关技术规范要求，并定期开展消防实战演练，不断提高工作人员处置突发火灾的应急能力。
4储能电站检修维护期间火灾预防及管控
储能电站检修维护应提前制定检修计划，明确目标。在编制检修专项方案、检修作业指导书时，同步编制消防安全管理制度和防控措施。检修期间，合理安排检修工期，严格执行工作票制度。重点对电池模组及其安全附件进行检查、维护，及时清理内部吸附的积灰，更换存在鼓包、老化的电池模组，设置专门的房间用于存放出现掉电、鼓包严重、安全阀开启和漏液的故障电池。全面对电池储能系统、BMS、PCS系统的安全保护装置进行检查、测试，及时更换不合格的安全保护元器件。检维修全过程配备便携
式灭火器、防火布、砂箱、消防自救呼吸器等消防应急设施，并制定专门针对电池冒烟、起火、燃烧、爆炸、电解液泄漏等紧急情况的处置方案。开展全过程消防安全管理，加强火灾风险管控。
5储能电站火灾事故应急处置要求
5.1人员能力要求
储能电站运行维护人员应经消防安全培训合格后方可上岗，熟知防火检查方法和安全注意事项，熟知内外部火警电话、报警流程、初始火灾扑救方法和应急疏散撤离路径，熟知锂电池、各类电气设备的燃烧特性，掌握消防设施操作和使用方法，掌握自救逃生知识和技能。
5.2电池、电气设备火灾应急处置程序
1）火灾自动报警系统报警，启动火灾应急预案，运行值班人员确认火情，确认电池储能区断电，开启自动灭火系统进行灭火。 2）拨打“119”电话报警，同时向单位负责人和电网调度报告火情。 3）如果自动灭火系统未能自动启动，应急人员须人工远程启动灭火系统。 4）应急人员赶往现场，设置警戒、做好安全隔离措施，向消防救援队指挥员报告火场情况和安全注意事项。 5）消防救援队现场处置、组织救援、灭火。
6）明火扑灭、进行降温，防止复燃。
7）灭火完成后，由穿戴必要防护装备人员先行打开电池室门窗，通风排出有毒气体，检测有毒气体浓度、电池室内温度达到安全值后，人员方可佩戴防护器具进入电池室进行后续处置。
灭火过程中救援人员应采取有效措施，防止发生烧伤、中毒、窒息、触电、爆炸等次生灾害。在可能产生有毒有害气体的情况下，救援人员应正确使用正压式消防呼吸器。
5.3电池发生热失控应急处置程序
1）电池组立即退出运行，断开关联的储能变流器和簇级继电器。 2）解锁门禁，疏散无关人员，启动通风系统进行通风，报告运行负责人。 3）对电池组断电、退出运行进行确认，通过BMS系统确认发生热失控的电池模块位置。 4）应急人员现场警戒，做好安全隔离措施，对温度、可燃气体浓度实施不间断监控。 5）如果热失控现象消失，通风排出有毒有害气体，在温度、有毒有害气体达到安全值后，佩戴防护器具进行故障处置。 6）如果热失控进一步加剧引发火情，则按照4.2条进行应急处置。
6 结语
储能电站火灾、爆炸事故预防及管控工作是一项系统工程，本文对电池储能电站火灾发生原因、危险性进行较为全面的分析。从电池安全技术、火灾自动报警、自动灭火、消防设施、安全保护设计、建筑耐
火等级防火布置、消防安全管理及检修维护期间火灾预防等方面探讨锂电池储能电站的火灾防范措施，并对储能电站电池、电气设备火灾应急处置程序进行解析。
电化学储能电站的运行，消防安全是首要任务，也是各项工作开展的前提。要探索和形成一套储能电站消防安全运行标准化、规范化的防范机制和操作流程，做到消防预防和保障措施先行，确保万无一失。
参考文献：
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[2]中国电力企业联合会．电化学储能电站设计规范: GB51048—2014［S］．北京: 中国计划出版社，2014．
[3]中国电力企业联合会．预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范（TCEC 373-2020）［S］．北京: 中国电力出版社，2020．
[4]艾绍伟.储能电站火灾预防措施分析[J].电工技术，2019,07:38-39.
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