电化学储能系统消防策略研究

陈瑞 唐淼 卜建军 边彦军

摘要：随着新能源发电占比的提高，电化学储能在电力系统中的重要性越来越高，近几年随着政策引导及市场发展需求，电化学储能系统的装机量呈爆发趋势。电化学储能系统的消防安全问题是当前电力行业需要面对的重大挑战之一。为了预防和减少电化学储能火灾事故的发生，需要加强对储能系统的安全监管，采用更可靠的电池技术，制定更严格的消防标准，并加强火灾风险管理与应急响应能力，确保储能系统的安全运行。

关键词：锂电池；储能系统；热失控；消防安全

中图分类号：D631.6      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2023）11-0066-03

伴随可再生能源在能源结构中的加速渗透，能源供需之间的差异需要平衡，储能作为实现碳中和的稳定器迎来爆发式增长。目前，电化学储能系统主要应用锂离子电池、钠硫电池、液流电池等技术。然而电化学储能技术基于其本身属性，具有一定的危险性，若没有科学的技术加持，容易发生火灾或者爆炸。电化学储能火灾事故在近年来呈现出明显的增长趋势。特别是三元锂电池体系存在着较高的火灾风险，并且充电过程中及充电后的休止期间是容易发生火灾的关键时期。

1 电化学储能系统火灾案例分析

本文以2021年发生在北京的“4·16”大红门储能火灾事件为例进行储能事故复盘。

2021年4月16日11时50分许，位于丰台区西马场甲14号的北京福威斯油气技术有限公司光储充一体化项目发生火灾爆炸，12时17分，北京市119指挥中心接报储能电站起火的警情，调派15个消防站47辆消防车235名指战员到场处置。14时15分许，在对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，导致电站内1名员工死亡，2名消防员牺牲，1名消防员受伤，火灾直接财产损失1660.81万元[1]。经过调查和分析，事故的直接原因是南楼电池间的磷酸铁锂电池发生内短路故障，导致电池热失控起火。而北楼发生爆炸的原因则是由于南楼电池间的电池和电池模组热失控扩散起火，在电缆沟中形成了易燃易爆气体，遇到电气火花引发了爆炸。事故的间接原因包括涉事企业安全责任不落实、存在未备案先建设问题、安全隐患未完全排除等；以及相关单位安全监督检查不到位、对新能源项目安全问题关注不足等。

电化学储能火灾不仅具备高破坏性，而且往往具有复杂多变的特点，给人们的生命财产安全带来了巨大的潜在风险。以上储能系统火灾事故引发的主要原因如下：①电池灭火系统未能阻止故障电池热失控，故障电池将热量向周围电池传递，从而导致热失控连锁反应；②电池热失控产生可燃气体聚集，可燃气体导致了爆炸；③储能系统的电池间空间不足、可燃气体通风不足以及缺乏对应急工作人员的适当培训。

2 电化学储能系统火灾机理及特征

目前主流的锂离子电池储能系统主要包括电池系统、能量管理系统、电池管理系统 （BMS）、变流器系统（PCS）、冷却系统、消防系统以及照明和监控系统等，且因并入电压等级不同而配置变压升压系统。电池系统的构成，目前大型储能电池舱一般由多个电池簇构成，每个电池簇由多个电池模组并联而成，电池模组内由多个电芯串并联构成。从温控方式来分，电池舱一般有液冷和风冷两种冷却方式。

储能电站的火灾事故主要有两大类：一类是电气类火灾，一类是电池热失控引发的火灾。其中，电气类火灾主要由于短路、过载、老化等电气类原因引发，目前储能系统中的自动消防系统基本已经可以防控此类火灾。目前已经对热失控进行了大量研究，热失控是一个涉及化学、材料科学和工程学的非常复杂的过程。一般来说，当放热反应失控时，即由于温度升高导致反应速率增加，从而进一步升高温度，进而增加反应速率，可能导致爆炸[2]。有人提出，在80℃以上熱失控可能会自发地导致火灾或爆炸。锂离子电池的失控，是由电解液、阳极和阴极之间的放热反应引起的，随着电池内温度和压力的增加，最终电池将破裂[3]。

究其原因，引发锂离子电池热失控根本原因主要分为三类：一是机械滥用，比如挤压或针刺导致机械变形甚至隔膜部分破裂引发内短路；二是电滥用，如过充过放等导致电池内部产生锂枝晶，锂枝晶穿破隔膜引发正负极短路；三是热滥用，温度过高导致负极材料与电解液发生反应，产生热累积进而隔膜和正极材料等发生分解，隔膜大规模崩溃导致正负极短路。三类引发热失控诱因的共同环节均为电芯内部短路，造成电池内部温度积累。

3 电化学储能系统火灾预防与安全策略

电化学储能系统防火设计应遵循“预防为主，防消结合”的方针，电化学储能系统的消防安全管理应从选址到系统自身硬件配置、到现场系统布局均需遵循相关安全规范或标准。

3.1  电站设计层面

电化学储能电站在规划设计阶段应编制项目可行性研究报告，选址、布局应合理，应充分评估发生安全事故对所在场所的建筑结构安全、人员生命安全以及应急救援处置可能造成的影响。

电站的设计要参考GB 51048—2014《电化学储能电站设计规范》，GB 50016—2014（2018年版）《建筑设计防火规范》，中国电力企业联合会在2020年6月30日发布的T/CEC 373—2020《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》（以下称规范），GB/T 40248—2021《人员密集场所消防安全管理》等。通过以上标准，关于站址选择应满足防火防爆、防洪防涝、防尘防腐的要求。站址不得贴邻或设置在生产、储存、经营易燃易爆危险品的场所。不得设置在具有粉尘、腐蚀性气体的场所。不得设置在可能积水的场所，必要时应设置挡水排水设施或采取抬高措施。不得设置在重要电力设施保护区内。另锂离子电池设备间（舱）不得设置在人员密集场所，不得设置在（经常有人生产生活的）建筑物内部或其地下空间。电化学储能电站宜设置在市政消防管网覆盖区域或靠近可靠水源。

为减小储能设备对周边生产生活建筑类的安全隐患，参考标准设计时，电池设备舱（室）与生产建筑、生活建筑之间的防火间距不应小于下列值：与甲类生产建筑距离不小于12m；与乙类生产建筑距离不小于10m；与丙、丁、戊类生产建筑且耐火等级为一、二级的距离不小于10m；与丙、丁、戊类生产建筑且耐火等级为三级的距离不小于12m；与其他生活建筑耐火等级为一、二级的距离不小于10m，耐火等级为三级的距离不小于12m。相邻两座建筑两面的外墙为非燃烧体且无门窗洞口、无外露的燃烧屋檐的其防火间距可减少25％；相邻两座建筑较高一面的外墙为防火墙且两座建筑物门窗之间的净距不小于5m时其防火间距不限，但甲类建筑之间不应小于4m；电池设备舱（室）与丙、丁、戊类生产建筑之间采用防火墙时，防火间距不限。储能电站的应急车道、事故处置场地应满足需求，科学评估爆炸当量及影响范围，标识疏散避险区域范围。

3.2  在系统设计层面

储能系统的安全性，可以概括为一方面是从电气设计角度的安全性，一方面是电池本体安全性。电气方面的安全性目前相对比较成熟，目前储能系统的电气保护基本能在火灾时或热失控发生时发挥保护机制达到其安全设计的目的。电池本体的安全，需要从热管理、热失控预警以及热失控控制方面来设计。

Yang Peng等人[4]对电池点火后的稳定燃烧阶段进行了详细的分析和讨论，在入射热流密度为11.1kW·m?2的条件下，电池从点火到热失控需要201s。这样的时间间隔有利于对电池热失控进行预警。锂离子电池热失控是一个过程，有一个比较长的时间段，在这个过程前期会释放大量的CO、H2、烷烃类气[5]，通过气体探测器探测，可以及早发现故障电池，进行处理和更换。

在消防介质的选择上，考虑电池热失控特征，在达到灭火的同时要对电池进行降温。如果不对电池降温，热失控将不会停止，因此需要配套到电池组或电池箱定向灭火系统，热失控发生时，其作用是：一方面扑灭火灾，另一方面持续不断地对电池进行降温，以达到中止热失控的目的。Shuai Yuan[6]等讨论了气体灭火剂、干粉灭火剂、水基灭火剂和气溶胶等几种灭火剂。这些灭火剂在扑救锂电池火灾时存在着用量大、时间长、易重燃等缺陷。为了迅速扑灭锂电池火灾，需要研制一种有效的锂电池灭火剂。哈龙、HFC-227ea、CO2、Novec1230等气体灭火剂有利于在灭火过程中保护电池系统的完整性。但气体灭火剂不能有效降低电池温度。与上述气体灭火剂类似，干粉和气溶胶不导电，而这些药剂会污染电池系统。此外，它们的热容量也不容乐观。水基灭火剂具有高润湿性、低粘度、高热容量、环保、吸烟性好等综合性能。高热容量的灭火剂可以冷却电池，降低电池重燃的可能性。然而，其适用性有待进一步验证，因为其可能导致电池系统短路。因此，一种具有高润湿性、低黏度、绝缘性能好、热容量大、环境友好、吸烟性好的新型灭火剂是值得开发的，是学术界和工业界非常需要的。Lin Zhang等[7]通过实验研究得出了“与单一灭火剂相比，在相同的释放方式和释放时间下，气体灭火剂与水雾协同使用具有更好的灭火和冷却效果。”的结论。

因此在设计储能系统时应从电芯选型，模组到簇的搭建设计，需遵循相关标准，确保电池段自身的安全性能以及确保电气安全[8]；应根据具体电池的类型对检测气体的成分进行合理选择，安装火灾监测系统，包括烟雾探测器、温度传感器和火焰探测器等，及时监测储能系统中的火灾迹象或异常情况。在电池舱内设置多级电气应急熔断保护机制、舱体排风装置、主动换风系统快速消除相关安全隐患，通过防爆泄压系统降低内部压力，避免可燃性气体聚集；并为储能系统的单元模块配备复合灭火装置，并在发生热失控时进行持续的喷射降温，以防温度过高引起燃烧或者复燃。

4 电化学储能系统火灾应急响应与处置

当电化学储能系统发生火灾时，其应急响应与处置对策应从以下方面进行防治：

火灾监测与报警：建立有效的火灾监测系统，包括温度、烟雾、气体等传感器，并与监控系统相连。当监测到火灾迹象时，及时触发报警装置，以便进行及时应对。

系统切断与隔离：在发生火灾时，及时切断电力供应，包括断开电池组与电力网络之间的连接，并迅速隔离受影响的区域，防止火势蔓延。

灭火与遏制火势：采取适当的灭火手段进行扑救，如干粉灭火器、二氧化碳灭火系统等。同时，采取措施遏制火势蔓延，如关闭通风口、喷洒消防水等[9]。

应急演练与培训：作为储能项目的运营者应建立完善的应急预案，并定期组织应急演练，提高工作人员的应急响应能力。进行相关培训，使工作人员熟悉正确的火灾处置程序与操作技能。

安全设施与防护：确保现场安全设施完善，包括灭火器、防火门、疏散通道等。同时，定期检查维护设施的状态，确保其正常运行。

事故调查与分析：对发生的火灾事故进行调查与分析，从事故原因、火灾扩散机制、应急响应效果等方面进行评估，为今后的应急预案改进提供依据。

宣传與意识培养：加强电化学储能系统火灾应急的宣传与教育，提高人们对火灾风险的认识与防范意识。通过开展培训、发布宣传资料等方式，提高公众和从业人员的火灾应急意识。

5 未来展望与研究方向

当前电化学储能系统火灾研究面临一些不足和挑战。首先，电化学储能技术种类繁多，每种技术的火灾风险具有针对性，需要建立相应的火灾防范措施。目前尚缺乏基于不同电化学储能技术单元的火灾预测模型和实验数据，使得对其火灾风险评估和防范措施的制定存在一定的困难。其次，电化学储能系统内部的化学反应机理复杂，火灾导火索众多、隐蔽性强。目前尚缺乏系统性的电化学储能系统内部异常情况监测与诊断方法、技术和工具，难以及时预警和发现火灾风险。再次，电化学储能技术正处于快速发展阶段，新技术、新材料、新模式的出现给火灾风险的控制和防范带来了新的挑战。目前缺乏快速、准确、可靠的检测和诊断技术，很难及时发现小规模火灾事故，避免其扩大爆发。最后，电化学储能系统火灾事故的整个过程十分复杂，需要全方位、多角度的研究，包括火灾成因、热学反应过程、气体释放和扩散，以及火场扑救等方面。目前仍需要加强各领域之间的合作与交流，提高整个研究水平。

综上所述，电化学储能系统火灾研究尚存在一定的不足和挑战，需要通过多学科融合、技术创新、合作交流等方式提高技术和理论水平，为实现电化学储能系统火灾风险的有效控制和防范提供有力保障。提出未来研究的重点和方向，如火灾模型的建立、防火材料的开发等。

参考文献：

[1]北京市应急管理局.事故调查结果公示丰台区“4·16”较大火灾事故调查报告[EB/OL].https：//yjglj.beijing.gov.cn/art/2021/11/22/art_7466_470.html.

[2]Qingsong Wang，Ping Ping，Xuejuan Zhao，Guanquan Chu， Jinhua

Sun，and Chunhua Chen.Thermal Runaway Caused Fire and Explosion of Lithium Ion Battery，Journal of Power Sources，208（2012），210-224.

[3]Binbin Mao，Chaoqun Liu，Kai Yang，Shi Li，Pengjie Liu，Mingjie Zhang，Xiangdong Meng，Fei Gao，Qiangling Duan，Qingsong Wang， and Jinhua Sun.Thermal Runaway and Fire Behaviors of a 300 Ah Lithium Ion Battery with Lifepo4 as Cathode，Renewable and Sustainable Energy Reviews，139（2021），110717.

[4]Yang Peng，Xiaodong Zhou，Yue Hu，Xiaoyu Ju，Baisheng Liao，and Lizhong Yang.A New Exploration of the Fire Behaviors of Large Format Lithium Ion Battery，Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，139 （2019），1243-1254.

[5]Qingsong Zhang，Tiantian Liu，Chaolong Hao，Yirun Qu，Jianghao Niu，Qiong Wang，and Da Chen.In Situ Raman Investigation on Gas Components and Explosion Risk of Thermal Runaway Emission from Lithium-Ion Battery，Journal of Energy Storage，56（2022），105905.

[6]Shuai Yuan，Chongye Chang，Shuaishuai Yan，Pan Zhou，Xinming Qian，Mengqi Yuan，and Kai Liu.A Review of Fire-Extinguishing Agent on Suppressing Lithium-Ion Batteries Fire，Journal of Energy Chemistry，62 （2021），262-280.

[7]Lin Zhang，Yongqi Li，Qiangling Duan，Man Chen，Jiajia Xu，

Chunpeng Zhao，Jinhua Sun，and Qingsong Wang，Experimental Study on the Synergistic Effect of Gas Extinguishing Agents and Water Mist on Suppressing Lithium-Ion Battery Fires，Journal of Energy Storage，32（2020），101801.

[8]Yilin Cui，Yin Chen，Mingyi Chen，Dongxu Ouyang，Jingwen Weng，

Changfa Tao，Luyao Zhao，and Jian Wang，Numerical Study on the Fire and Its Propagation of Large Capacity Lithium-Ion Batteries under Storage，Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，148（2023），5787-5803.

[9]孟慶庚.储能系统火灾事故调查与防治对策[J]消防科学与技术，2023（1）：142-145.

Study on fire protection strategy of electrochemical energy storage system

Chen Rui1，Tang Miao2， Bu Jianjun2， Bian Yanjun2

（1. Zhejiang Chint Electric co.，ltd.， Zhejiang Wenzhou 325603; 2. Songjiang District Fire and Rescue Brigade of Shanghai， Shanghai 201620）

AbstraCt： With the increase in the proportion of new energy power generation， the importance of electrochemical energy storage in the power system is getting higher and higher. In recent years， with the policy guidance and market development demand， the installed capacity of electrochemical energy storage systems has shown an explosive trend. The fire safety of electrochemical energy storage systems is one of the major challenges that the current power industry needs to face. In order to prevent and reduce the occurrence of electrochemical energy storage fire accidents， it is necessary to strengthen the safety supervision of energy storage systems， adopt more reliable battery technology， formulate stricter fire protection standards， and strengthen fire risk management and emergency response capabilities to ensure the safe operation of energy storage systems.

Keywords： lithium battery; energy storage system; thermal runaway; fire safety