变电站钛酸锂电池并联直流电源系统消防方案研究

徐立波，龚 泉，杨思安，郑亚飞，沈诞煜

（1.上海电力设计院有限公司，上海 200025； 2.国网上海市电力公司，上海 200125；3.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，广东 深圳 518057）

变电站直流电源系统的后备电池通常采用阀控式密封铅酸蓄电池，其具有工作稳定、性能可靠、价格便宜等优点，但同时存在寿命短、维护工作量大、工作电流范围小、有氢气析出、对运行环境温度要求高等缺点［1］。此外，阀控式密封铅酸电池内部含有重金属，如处理不当易产生土壤环境污染。

磷酸铁锂电池是近期发展起来的新型二次电池，在电力储能和电动汽车领域已有广泛应用，其主要指标显著优于铅酸蓄电池［2-3］。近年来偶有发生的磷酸铁锂储能电站安全事故影响了其在变电站的推广应用［4］。

钛酸锂电池采用钛酸锂作为负极材料，具有远高于形成固体电解质界面（SEI）膜和锂枝晶的锂嵌入/脱嵌电压，因而具有良好的安全特性［5］。钛酸锂电池在能量密度、循环次数、充放电速率、低温特性等各项性能指标上也大幅优于铅酸蓄电池，是一种可行的变电站直流电源系统后备电源储能器件替代方案。

近年来，许多学者对钛酸锂电池的安全性能和消防措施开展研究。文献［6］分析了几种不同钛酸锂体系锂离子电池国内外研究现状及应用前景，提出其是高倍率、长寿命锂离子电池负极材料的首选。文献［7］提出钛酸锂材料因同时具有高安全性和高倍率性能，具备作为军用锂电池负极材料的潜力。文献［8］以商用钛酸锂电池为研究对象，对其进行外部短路、过充、针刺、加热和火焰共5 项安全性能测试，结果表明钛酸锂电池具备非常优异的安全性能。文献［9］利用过充、针刺、加热等方式对钛酸锂电池进行了热失控触发的试验研究，结果表明钛酸锂电池在极端过充和持续加热情况下会引发电池热失控。文献［10］表明钛酸锂电池在电滥用时会出现热失控，提出了使用全氟己酮抑制剂在电池爆喷前对使用空间进行惰化的解决思路，并通过实体试验，验证了提前释放抑制剂可有效抑制电池组的热失控扩展。

上述文献表明钛酸锂电池具有很高的安全性，但在极端情况还是会出现热失控情况。考虑到变电站通常采用无人值班的运维方式，为进一步提升钛酸锂电池在变电站直流电源系统应用的安全性，提出一种适用于变电站场景的直流电源系统全氟己酮自动灭火系统消防方案。

1 钛酸锂电池的特点与应用

1.1 钛酸锂电池的特点

钛酸锂电池作为锂离子电池的一种，其正极材料为锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂中的一种或几种，负极材料为钛酸锂（Li4Ti5O12）［6］。与其他采用石墨作为负极材料的锂离子电池相比，钛酸锂电池具有安全性高、充放电倍率高、低温性能好、循环寿命长和荷电状态（SOC）范围宽等5大优势。

1.2 钛酸锂电池与铅酸电池的对比

钛酸锂电池与铅酸蓄电池的参数对比情况如表1 所示。与常规阀控式密封铅酸蓄电池相比，钛酸锂电池在比能量、环保性能、循环次数和充放电倍率等方面具有显著优势。钛酸锂电池具备本质安全性能，其在直流电源系统中的可靠性有待工程实践加以验证。钛酸锂电池的劣势是价格较高，限制了其在变电站的推广应用。

1.3 钛酸锂电池应用于变电站的适用性

变电站直流电源系统后备电池需优先考虑安全性。磷酸铁锂和三元锂电池的安全性显著低于阀控铅酸蓄电池，限制了这两种电池在变电站直流电源系统的应用。钛酸锂电池的安全性可与阀控铅酸蓄电池相媲美，在外部短路、过充、针刺、加热和火焰等试验中，钛酸锂电池都能经受住考验，不会发生起火和爆炸［8］。

钛酸锂电池的低温特性好，对于处于寒冷地区的变电站具有很好的环境适应性。钛酸锂电池的比能量是阀控铅酸电池的2 倍，在相同电量下显著减轻电池荷载质量。此外，钛酸锂电池的循环寿命、日历寿命均显著高于阀控铅酸电池，可减少后期电池更换频次。

钛酸锂电池主要存在以下两个缺点。

（1）钛酸锂电池价格较为昂贵，约为磷酸铁锂电池的2 倍。当钛酸锂电池市场容量扩大产生规模效应后，钛酸锂电池的价格水平预计会有所下降。

（2）能量密度稍低。钛酸锂电池的能量密度约为磷酸铁锂的2/3、三元锂的1/2，但高于阀控铅酸电池，约为其2 倍。变电站直流电源系统后备电池容量不高，即使能量密度不高也不会对电池的应用带来显著的影响。

2 变电站钛酸锂电池并联直流电源系统方案

2.1 并联电池智能组件

常规变电站直流电源系统电池采用串联方案，存在电池单体性能影响整组输出、电池参数需严格保持一致、无法实现在线全容量核容及更换等缺点［1］。

并联直流电源系统方案中，将12 V 电池组与具备AC/DC 整流和电池组充放电功能的电源模块组成并联电池智能组件，电池组与电源模块一一对应，电池组通过电源模块间接并联接入220 V或110 V 直流母线。

2.2 并联电池配置方案

上海某110 kV 变电站试点采用分布式钛酸锂电池并联直流电源系统，分为两套直流电源系统，分别供给二次设备室直流负荷和110，10 kV配电装置室的直流负荷。经容量计算，分别需采用22 组12 V/180 A·h 的钛酸锂电池组和14 组12 V/90 A·h 的钛酸锂电池组。

110 kV 变电站并联直流电源系统接线如图1所示。

图1 110 kV 变电站并联直流电源系统接线

钛酸锂电池单体的标称电压为2.45 V、标称容量为30 A·h。因此，12 V/90 A·h 电池组采用单体5 串3 并，12 V/180 A·h 电池组单体5 串6并，采用先并后串的成组方式，这种结构成组简单，成本较低，适用于并联数量较少的场合［11］。

2.3 直流电源系统布置方案

根据DL 5027—2015《电力设备典型消防规程》［12］的规定，锂离子电池应设置在专用房间内。考虑将两套直流电源系统的并联电池智能组件组柜布置于变电站电池室内。

22 组12 V/180 A·h 系统配置4 面屏柜，每面屏柜下方布置4 个或6 个并联电池智能组件。14组12 V/90 A·h 系统配置2 面屏柜，2 面屏柜下方分别布置6 个和8 个并联电池智能组件。两套直流电源系统的馈线单元分别布置于二次设备室和10 kV 配电装置室。

3 变电站钛酸锂电池直流电源系统消防方案

3.1 电池室的消防方案

电池室的消防方案包括火灾自动报警、固定灭火系统和事故排风等内容。

电池室应设置火灾自动报警系统，宜配置防爆型感烟或吸气式感烟探测器［13-14］。同时，由于钛酸锂电池在热失控等故障状态下会释放H2，CO 等可燃气体［10］，电池室还应独立配置可燃气体探测报警系统。H2，CO 气体的密度分别小于或与空气密度相当，根据规范的要求，可燃气体探测器应设置在电池室顶部［14］。

固定灭火系统一般可选用气体灭火、水喷雾或细水雾等形式。由于锂离子电池安装于屏柜内，电池室配置气体灭火系统对于扑灭电池火灾效果有限，因此不建议电池室配置气体灭火系统。电池室可选配水喷雾或细水雾自动灭火系统，实现对电池组的持续冷却，从而控制热失控。

关于事故排风，电池室应装设防爆型排风机，并与可燃气体报警装置联动。当空气中可燃气体达到爆炸下限的25%时，通风系统应能自动投入运行［15］；当电池室自动灭火系统启动时，应联动关闭通风系统。

3.2 全氟己酮灭火系统消防方案

3.2.1 全氟己酮灭火剂特性

全氟己酮灭火剂常温下是一种透明、无色、绝缘的液体，释放后无残留，绿色环保，最先由美国3M 公司研制开发，商标为Novec1230［16］。全氟己酮是以物理吸热为主的洁净气体灭火剂，释放后与空气形成气态混合物，其灭火原理主要包括化学抑制和物理冷却。

全氟己酮可通过与燃烧自由基的结合来阻断燃烧反应实现化学抑制，并且通过液态至气态的相变吸收火灾释放的热量达到物理冷却的作用。全氟己酮灭火系统适用于E 类火灾（带电火灾）。

3.2.2 系统方案

全氟己酮灭火系统以电池柜为单位进行全空间淹没式灭火，实现对电池柜体内部的高效安全防护。

全氟己酮灭火系统结构如图2 所示，由监测模块、灭火主机、雾化喷头、分流阀、报警模块、输出模块等组成。

图2 全氟己酮灭火系统结构

监测模块主要监测挥发性有机化合物（VOC）、CO、烟雾等的含量以及温度值。当电池发生故障或火灾时，监测模块采集到异常数据后向灭火主机告警。集成灭火剂的灭火主机判断报警等级采取相应措施，必要时将通过管网系统通过分流阀同时向各个喷头的防护空间内注入全氟己酮灭火剂。电池柜内全氟己酮的体积分数达到4%～6%时，即可有效扑灭明火，抑制火灾在电池柜内的蔓延扩散。报警模块具备就地或远程手动启动灭火系统的功能。输出模块用于输出报警信号和与电池室通风系统的联动控制。

3.2.3 布置方案

全氟己酮灭火系统在每个电池柜内分别布置1 台灭火主机、2 个监测模块、3 个雾化喷头、3 个分流阀和1 个报警模块。灭火主机布置于柜体上部，监测模块靠近电池组对侧布置，在每个电池柜的顶部和中部分别布置2 个和1 个雾化喷头，由3 根支管路汇总至3 个2 路双通方形分流阀体，再由主管至灭火主机。报警模块布置于方便操作的位置。

3.2.4 灭火策略

全氟己酮灭火系统具备三级报警和自动灭火功能，各报警等级监测的数据和输出策略如表2所示。

表2 全氟己酮灭火系统分级报警策略

灭火系统任一监测模块监测到VOC 和烟雾含量超标时为一级报警，将输出报警信号；任一监测模块监测到VOC 和CO 含量超标时属于二级报警，将联动风机进行事故排风；任一监测模块监测到VOC，CO 含量和温度超标时，属于最严重的三级报警，此时灭火主机会启动喷淋模式，由3 个雾化喷头同时喷出全氟己酮灭火剂。

灭火剂喷射的策略是首先喷射大量的全氟己酮进行灭火，降低柜内可燃气体的含量。随后根据温度变化，多次少量地间歇喷射全氟己酮，进行有效降温和维持柜内全氟己酮的灭火浓度，防止电池发生复燃。

3.3 消防系统的联动与配合

电池柜内全氟己酮灭火系统需与变电站内消防设施联动配合，才能更好地发挥系统的安全防护作用。

当灭火系统处于一级报警时，应将报警信号同步反馈至变电站火灾报警系统和自动化监控系统，向远程值班的运维人员发出告警信息。

当灭火系统处于二级报警时，应联动开启电池室风机进行事故排风，降低可燃气体含量。

当灭火系统处于三级报警时，应联动关闭风机，保持电池室和电池柜内的全氟己酮灭火剂一定的浓度值。电池室内配置水喷雾或细水雾自动灭火系统时应触发启动，可以及时降低电池柜内的温度和环境温度，防止电池发生复燃和热失控传播。

4 结语

（1）与铅酸蓄电池相比，钛酸锂电池在比能量、循环次数、充放电倍率等方面具有显著优势，且不产生重金属污染，适合作为变电站直流电源系统的后备电源。与磷酸铁锂电池相比，钛酸锂电池不易产生锂枝晶，具有更高的安全性，待后续电池价格下降后将更具替代优势。

（2）110 kV 变电站并联直流电源系统采用12 V 电池组，根据钛酸锂电池电压采用5 只电池单体串联，由电池组容量确定电池单体并联数，推荐采用先并后串的成组方式。

（3）钛酸锂电池组柜需布置于专用电池室内。电池室内设置火灾自动报警系统和可燃气体探测报警系统，可选择设置细水雾自动灭火系统，实现对电池组的持续冷却。电池柜内建议配置全氟己酮自动灭火系统，重点介绍了电池柜内配置的全氟己酮自动灭火系统的组成、布置和分级报警及联动控制方案，实现电池组故障后的自动灭火功能，防止热失控事故的扩大。