储能电站火灾致因路径及防治措施研究

杨 帆

(北京市消防救援总队海淀支队八家救援站,北京 100000)

1 引言

储能电站主要是指利用各种类型的储能方式构成的储能系统，其可有效实现需求侧管理，消除峰谷差，平滑负荷，目前已成为电力系统存储电能的有效手段。随着储能电站应用日益广泛，安全问题也接踵而来，储能电站的安全风险因素种类繁多，火灾爆炸等极端事故的发生带来巨大的人员伤亡和财产损失。目前，关于储能电站火灾防治的研究已取得较多成果：艾绍伟等[1]围绕储能电站的火灾预防措施展开探讨；徐国栋等[2]对电池储能电站安全问题进行研究；李首顶等[3]对锂离子电池储能系统现状进行了分析；蔡兴初等[4]研究了锂电池储能电站的消防设计；吴静云等[5]对储能电站消防系统进行研究；王忠等[6]对储能电站消防安全现状进行分析并提出火灾防控措施；卓萍等[7]对锂离子电池过充火灾危险性进行研究；王春力[8]针对储能电站早期预警系统进行分析。当前对储能电站安全问题的研究主要集中在电池、防火设计、电站建设方面，然而储能电站从设计建设再到运行维护等各阶段火灾隐患不计其数，储能电站构造和性质特殊，一旦发生火灾，后果和损失十分严重。

因此，为储能电站火灾风险进行科学评估和分析，针对性地提出储能电站火灾风险预防和管控措施，最大程度地降低储能电站火灾发生的概率和最大程度减轻储能电站发生火灾后的损失，具有重要的理论价值和实际意义。因此本文基于事故树方法，对可能导致储能电站火灾的影响因素进行全面系统的定性分析，以确保储能电站的安全稳定运行。

2 储能电站主要危险源辨识

结合现有储能电站安全问题现状的研究，本文从人、机、物、环境、管理5个维度出发，找出致使储能电站发生火灾的危险因素，并在此基础上建立影响因素模型，如图1所示。

图1 影响因素模型

人的不安全性主要分为两个方面：一是由于能力素质不足，或者安全意识淡薄，或是主观有意的行为，而进行的违章操作；二是由于缺乏工作经验，在面对突发情况时处理不当造成事故。

设备风险因素主要包括设备故障、设备自身存在设计缺陷、设备在使用过程中老化以及设备质量不合格等因素。例如电池热失控、电线短路或接触不良、电气设备漏电或绝缘不到位等。

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，而绝缘失效容易造成电气设备电击穿、局部高温，都会诱发储能电池热失控。

管理问题主要是管理制度不完善，管理工作没有落实到位。例如：缺少完整健全的安全管理体系、没有完整健全的安全管理制度、安全生产制度实施力度小、安全技术人才缺乏、管理方案不科学、管理监督不到位等。

消防设施风险因素主要包括消防设施不完善、消防设施设置不合理、消防水源不足、消防设施不能及时启动等。例如：储能电站可能缺乏可燃气体探测装置或者探测装置失灵，电站配备的灭火装置不能发挥作用，站内人员或消防救援人员错误使用消防用水等。

3 基于事故树的火灾致因分析

根据火灾发生的条件可知，当可燃物具备充足的燃烧条件并且未能及时发现火灾、扑灭火灾是火灾可以发生、扩散、蔓延的主要原因，因此主要从可燃物、氧化剂、引火源等方面入手辨识。

3.1 事故树的建立

根据储能电站火灾的危险源的辨识和分析，综合火灾发生的三要素和火灾发生的规律对储能电站火灾事故案例的整合分析，将火灾发生的各方面原因以事故树的形式展示出来，直观清晰显示出事故之间的逻辑性，并对此作最小割集、最小径集、结构重要度的定性分析，事故树见图2所示。

3.2 事故树的分析

事故树中的基本事件有30种，详见表1所示。对各基本事件的逻辑关系进行分析，共得到576个最小割集，5个最小径集，即有576种可能途径会导致火灾事故的发生，5种保障安全性的最佳方案。最后结合结构重要度的大小排序针对性地提出预防事故发生的有效措施。

表1 基本事件说明

3.2.1 最小割集分析

根据事故树理论，事故树的最小割集就是指能够引起顶上事件发生的最低数量的基本事件的组合[9]，在事故树中，30个基本事件构成了576个最小割集，最小割集如下所示。这说明可以储能电站火灾的因素是非常多的，必须加强储能电站的安全管理，才能有效避免火灾事故的发生。

K1=(X1，X10，X15，X19)，K2=(X1，X10，X15，X20)，K3=(X1，X10，X15，X21)

K4=(X1，X10，X15，X22)，K5=(X1，X10，X15，X23)，K6=(X1，X10，X15，X24)

K7=(X1，X10，X15，X25)，K8=(X1，X10，X15，X26)，K9=(X1，X10，X15，X27)

K10=(X1，X10，X15，X28)，K11=(X1，X10，X15，X29)，K12=(X1，X10，X15，X30)

K13=(X1，X10，X16，X19)，K14=(X1，X10，X16，X20)，K15=(X1，X10，X16，X21)

K16=(X1，X10，X16，X22)，K17=(X1，X10，X16，X23)，K18=X1，X10，X16，X24)

K19=(X1，X10，X16，X25)，K20=(X1，X10，X16，X26)

……

K576=(X1，X9，X18，X30)

3.2.2 最小径集分析

最小径集就是指能够使得顶上事件不发生的最低数量的基本事件的集合。这样，最小径集就指明了哪些基本事件不同时发生就可以使顶上事件不发生的安全模式[9]。根据事故树图得到了5种最小径集，分别如下所示。P1是指燃烧所必须的氧气，若该电站无氧气存在，则不构成燃烧三要素，事故就不会发生；P2和P3是围绕引火源组成的事件，从火灾根烟上杜绝事故的发生；P4从可燃物角度出发，旨在将可燃材料转换成难燃材料从而防止事故的发生；P5主要从消防系统设计和安全管理层面角度分析，火灾发生后采取对应措施进行灭火，最大限度地降低火灾危害。

P1=(X1)

P2=(X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12)

P3=(X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X13，X14)

P4=(X15，X16，X17，X18)

P5=(X19，X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30)

3.2.3 结构重要度分析

不考虑各基本事件发生的难易程度，或假设各基本事件的发生概率相等，仅从事故树的结构上研究各基本事件对顶事件的影响程度，得到结构重要度分析，各基本事件对顶事件影响程度从大到小如下排序。首先，氧气的重要程度最大，其次，是可燃物和引火源，最后，是消防设计方面。

I(X1)>I(X18)=I(X17)=I(X16)=I(X15)>I(X11)=I(X10)=I(X9)=I(X8)=I(X7)=I(X6)=I(X5)=I(X4)=I(X3)=I(X2)>I(X12)>I(X30)=I(X29)=I(X28)=I(X27)=I(X26)=I(X25)=I(X24)=I(X23)=I(X22)=I(X21)=I(X20)=I(X19)=I(X14)=I(X13)

4 基于事故树的有效防范措施

4.1 隔绝氧气

由于电池热失控过程中会释放出氧气，即使在外界无氧气的参与下也能发生燃烧[10]，因此隔绝氧气与电池便无关紧要了，然而氧气出现在所有最小割集中，其危险性不容忽视，因此，只能从其他可燃物角度出发，做到氧气的隔绝。

4.1.1 电线与氧气的隔绝

电线里面的有机物(如聚氧乙烯)与空气中的氧气结合不完全燃烧会产生一氧化碳气体，因此，为防止电线的氧化，可使用一种新型隔氧阻燃的耐火型电缆、电线埋于地下、外加电线保护套管等措施[11]。

4.1.2 电气设备与氧气的隔绝

在电气设备外部镀一层银或锡等抗氧化性较强的金属；若设备外部已经形成氧化膜，可以迅速在表面涂抹一层中性凡士林。

4.2 杜绝引火源的出现

储能电站中的引火源大致分为三类：明火、电火花和雷击火花。

(1)对于明火，主要是有人吸烟、外来火种和故意纵火。加强储能电站的防火、用火管理，在危险区域内杜绝明火出现。主要措施包括明确严禁携带火种作业、制定严格的动火作业的审批和操作程序，动火前取得动火许可证、动火时有监管人员监督，还需加强消防安全教育，提高员工消防安全意识。

(2)针对电路故障和电气设备故障，应加强作业管理和人员绝缘防护。作业时，应严格遵守作业规范，正确使用带电设备，对设备和物品的绝缘性要定期进行检查，发现绝缘性能下降的情况要立即维修或更换。对于绝缘保护，操作人员作业时必须使用绝缘防爆工具，穿着绝缘服装和绝缘鞋，进行多重保护以避免产生电火花。

(3)结合以往案例事故，电池的热失控往往是引发火灾事故的关键因素，发热失控的因素很多，总的来说分为内部因素和外部因素。内部因素主要是：电池生产缺陷导致内短路；电池使用不当，引发正负极短路。外部因素主要是：挤压和碰撞等外部因素导致电池发生短路；电池外部短路造成电池内部热量累积过快等，因此，要做好电池的安全防护，可以结合事故树从电芯、电解质、外界温度、充放电时间、电流强度、换热系统等出发[12]。

(4)对于雷击火花而言，主要做好防护工作，安装符合要求的接地电阻和避雷装置，做好对装置设备的检查维护工作。

4.3 加强可燃物的管理

在储能电站中，常见的火灾事故多以电气火灾和电池火灾为主，电站中可燃材料多为电缆电线、电气设备和电池，除了从引火源角度杜绝燃烧的发生，还要加强对可燃物的管理，在此主要围绕可燃物的绝缘保护、质量要求、设备布置等进行分析。

(1)电池的选择。储能电池具有悠久的历史，目前已经发展出包括铅酸电池、镍系电池、锂系电池以及液流电池、钠硫电池等类型[13]，在选择电池时，不能只考虑经济成本，也要将安全因素纳入其中，包括电池的比能量和比功率、电池寿命、电池是否具有毒性、是否造成环境污染等。

(2)电气设备的安装布置。电池储能系统除电芯外还包含BMS、PCS、变压器以及相关继电保护设备、通信设备等一系列一次、二次设备，在日常运行管理中，设备之间要有一定的安全距离；安装调试机器时，人员要戴好绝缘用具；对功率较大的电气设备添加保护器或防压装备。

(3)电缆电线的绝缘性。线束要做好防火处理；线束与线束之间应区分明显，防止造成线束之间的干扰。

4.4 强化安全教育和健全安全制度

(1)对站内生产、操作、管理人员加强安全教育，使他们意识到安全生产的重要性，并把安全教育培训与思想教育、岗位专业培训有机结合，将提高安全意识和加强自我防护能力同提高业务能力相结合，从根本上提高安全教育的针对性与实用性。

(2)健全安全制度，如表2所示。安全制度的建立健全，帮助作业人员明确自身职责，严格按照规章制度办事。制度涉及组织管理人员、施工人员、现场监管人员、安全技术人员等多个层面，使各级人员真正认识到哪些是危险点并掌握危险点的防控措施。

表2 安全管理制度

4.5 加强消防安全管理

(1)消防设计方面。站内应有消防安全灭火系统，包括火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统、防排烟系统、消火栓给水系统；除此之外，应按国家规范要求设置防火防烟分区，留出消防逃生通道，消火栓中给水充足；由于电气火灾和电池火灾属于E类火灾，不适合水或泡沫灭火剂，还应配备符合储能电站特殊性的灭火器。

(2)消防制度方面。应依法建立消防安全责任制，通过建立防火检查巡查制度、应急处置制度，明确各级、各岗位的消防安全职责，负责组织实施日常消防安全管理工作。

5 结论

(1)本文首先分析了储能电站中的危险因素，从人的不安全性、设备的不安全状态、环境影响、管不到位和消防设计缺陷5个方面进行危险源辨识，为编制事故树提供依据。

(2)结合事故树的最小割集、最小径集和结构重要度分析，从氧气、引火源、可燃物、消防设计、安全管理角度制定防治火灾的措施。根据576个最小割集可知，加强对最小割集的管理可有效防止火灾事故的发生，氧气出现在所有最小割集中，是发生火灾爆炸必不可少的因素，因此必须严格管制；根据最小径集可以发现，氧气构成了火灾事故的主要隐患来源，且在5个最小径集中重要性最大；根据结构重要度结果可得到同样的分析。

(3)由于仅从定性角度上分析火灾致因，缺乏定量讨论，难以挖掘事故深层次的原因，结果难免存在不足。