锂电池储能电站火灾危险及对策分析

引言

随着风能和太阳能等可再生能源在能源结构中所占比例的持续增长，以及对间歇性和波动性能源接入需求的增加，加之锂电池成本的降低，锂电池储能电站正在新能源并网和电力系统辅助服务等多个领域得到广泛应用。然而，随着锂电池储能电站建设的推进，国内外关于这些电站的火灾事件逐渐增多，引起了公众对锂电池储能电站消防安全的高度关注。因此，本文将对锂电池储能电站的火灾风险进行深入分析，并探讨研究相关的火灾预防和应急处置策略。

1、锂电池储能电站概述

1.1 锂电池储能电站应用

锂电池储能电站因其高效率、灵活性和快速响应等优势，成为增强传统电力系统灵活性、经济性和安全性的关键工具，符合能源革命的发展趋势，并且其应用在全球范围内不断增长。到2020年底，中国新型电力储能装机容量已达到3.288吉瓦，预计到2025年将增至3000万千瓦以上。投运的锂电池储能电站将整合到源网荷储控制系统中，提供调峰、调频、备用和应急响应服务，满足电网对可再生能源接纳和安全运行的需求，同时在提升能源利用效率和推动绿色能源发展方面扮演重要角色。

1.2 锂电池储能电站组成

锂电池单体串联并联形成电池模块，再串联成模块电池箱，多个电池箱并联后置于集装箱内形成储能电池舱。多个电池舱与PCS、SVG、总控等系统配套舱组合，构成锂电池储能电站。

2、锂电池储能电站的火灾危险性

2.1 锂电池单体的火灾危险性

1）锂电池的构造。

锂电池通常由正极、隔膜、负极、有机电解液以及电池外壳构成，它们能够适应多种应用场景，并呈现出不同的形状与结构（如图所示）。在锂电池中，负极材料通常采用石墨。电解液的溶剂一般为碳酸酯类，尽管添加剂可能有所差异。正极材料在锂电池中差异显著，常见的有磷酸铁锂、锰酸锂以及三元材料等。隔膜的主要功能是隔离正负极，防止电子通过，同时允许锂离子自由穿梭。锂电池的充放电过程依赖于锂离子在正负极之间的迁移（如图所示）。需要注意的是，锂电池的电极材料、隔膜和电解液均为易燃物质，其中隔膜的火灾风险尤为突出。

几种形状的锂电池结构 锂电池充放电原理图

2）锂电池火灾危险性

锂电池存储大量能量，存在安全隐患，热失控是其起火主因。热失控通常由以下因素引起：内部短路，由于锂枝晶穿透薄隔膜；过充过放电，导致电池温度升高和电解液分解；化学反应放热，电池电压升高引发副反应；制造工艺缺陷，如电芯极耳过长或隔膜微孔洞；使用过程中的缺陷，如电池性能不一致或受到物理损害。这些因素都可能引起锂电池热失控，最终导致起火或爆炸。

2.2 锂电池储能电站的火灾危险性

1）锂电池单体热失控

锂电池储能电站因其复杂的串并联配置、大规模和高功率运行而知名。但若单个锂电池发生热失控，会通过热传导和辐射影响邻近电池，引发连锁反应。由于电池间线路连接，火灾蔓延风险增加，可能引发整个电池舱火灾并迅速扩散。

2）电气故障

电气故障是导致锂电池储能电站火灾的主要因素，由于电站内除了锂电池还有许多附属电气设备，这些设备若管理不当，可能导致火灾。例如，意外的大电流或高电压，如雷电和浪涌，可能侵入电站引发火灾。这主要是因为电站内电气设备集成度高，对大电流和高电压的防护能力有限，同时电站内通信线路众多，增加了这些危险因素侵入的途径。

3）电池管理系统失效

电池管理系统(BMS)在锂电池储能电站中至关重要，负责实时监控电池状态并管理充电放电过程，确保安全运行。若BMS维护不当，可能导致火灾。例如，一起火灾案例显示，电站起火后3秒内BMS爆燃，导致电池端拉弧爆燃。检查发现，长期超温导致电气元件腐蚀、绝缘老化，无法满足设计要求，影响了监测和保护功能。

4）施工维修过程不规范操作

锂电池储能电站由众多锂电池单体组成，具有高容量，短路时会产生大电流。不规范的施工检修操作可能导致火灾。例如，在一个建设周期短的锂电池储能电站项目中，由于施工人员长时间工作导致操作失误，功率线正负极接反，造成电池短路并引发火灾。

3、锂电池储能电站的火灾防范对策

1）提高锂电池自身的安全防御

选用质量可靠的锂电池产品用于储能电站，避免使用性能退化的退役电池。在电池模块成组前，筛选单体电池以确保关键参数一致性。安装先进的电池管理系统(BMS)进行数据采集和实时监控，确保电池效率和安全，同时维持电池工作在合适温区并保持一致性。

2）加强储能电站的建设、维护和管理

锂电池储能电站不得建于人员密集、高层、地下或易燃易爆区域。必须使用符合规格的设备和电气线路，确保部件匹配，避免电气故障。设计需考虑安全保护，满足防火防爆标准。电池舱应有隔热阻燃层，使用耐高温材料，配备防爆排风系统，保持适当防火间距，确保防火分隔和封堵措施。电站应具备消防设施。施工管理要严格，确保专业施工和连接部位牢固。运营期间，需定期由专业技术人员检查和维护设备，消除隐患，确保设备安全运行。

3）锂电池储能电站火灾的尽早探测

火灾发展分为四个阶段：初起、发展、猛烈和熄灭。在初起阶段，火势未蔓延，自动报警系统能及时探测火警并处置，减少损害。目前主要使用感烟和感温探测器，但它们需等到烟雾和温度充满空间后才能预警。采用吸入式感烟探测器可提前报警。针对不同锂电池燃烧产生的可燃气体，增设特定气体探测器有助于早期发现火情，防止火灾蔓延。在每个电池箱内部安装探测器，能更早发现故障并精确定位问题电池箱。

4）锂电池储能电站火灾的快速抑制

锂电池储能站通常使用七氟丙烷自动灭火系统，但该系统无法精准作用于热失控电池箱内部，仅能扑灭明火。由于锂电池燃烧不依赖氧气，传统灭火方法无效。持续冷却对抑制内部化学反应至关重要，以防止复燃。水是有效的降温灭火剂，但需注意防止触电，灭火前应断电。建议使用模块级分布式细水雾灭火系统，实现点对点防护，及时抑制热失控引发的火灾。

4、安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统

4.1 概述

安科瑞的Acrel-2000MG储能能量管理系统专为工商业储能电站设计，具备数据采集、处理、存储、查询分析、可视化监控、报警管理、统计报表、策略管理及历史曲线等功能。策略管理支持多种控制策略，如计划曲线、削峰填谷等。系统能统一监控管理各储能单元，并与上级调度系统及云平台进行数据通讯，实现远程监控与运维，确保储能系统的安全、稳定、可靠和经济运行。

4.2 应用场景

适用于工商业储能电站、新能源配储电站。

4.3 系统结构

4.4 系统功能

实时监管

实时监控微电网的运行至关重要，它涵盖了市电、光伏、风电、储能、充电桩以及用电负荷等多个方面。此外，监控还应包括收益数据、天气状况以及节能减排的相关信息。

智能监控

实时监测系统环境、光伏组件、光伏逆变器、风电控制逆变一体机、储能电池、储能变流器以及用电设备，以全面掌握微电网系统的运行状况。

功率预测

对分布式发电系统执行短期和超短期的发电功率预测，同时呈现预测的合格率和误差分析。

收益分析

用户能够检视光伏、储能以及充电桩三个领域的每日电量与收益数据，并且具备切换至年报模式以查看每月电量与收益的功能。

策略配置

主要涉及对微电网系统的构成、基础参数、运行策略以及统计指标的设定。策略方面，它包括计划曲线、峰谷调节、需量管理、新能源整合以及逆功率控制等关键要素。

4.5硬件及其配套产品

5、结语

随着锂电池储能电站的规模化应用，确保其消防安全已成为发展的首要任务。锂电池制造商需加速技术革新，深入研究锂电池的火灾机理，并改进生产工艺，以制造出更安全的电池产品。同时，设计和施工企业应构建具备高安全保护性能的锂电池储能电站，并确保电池安装过程的安全性。运营企业则应采用多种火灾自动报警探测器进行实时监测，以便尽早发现异常情况，降低火灾风险。此外，必须确保在火灾发生时，通过熟练的预防措施和紧急情况下的有效处置，提高现场应急处理能力，防止火势蔓延，将灾害影响降至低。

参考文献

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