一起箱式儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故的調(diào)查與體會(huì)

翟小鵬

摘要：電力安全是國家能源安全的重要組成，儲(chǔ)能是保證電力安全、低碳、高效供給的重要技術(shù)。儲(chǔ)能電站近年來飛速發(fā)展，其中鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有重量輕、能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢而被廣泛使用，但是其火災(zāi)危險(xiǎn)性也逐漸顯現(xiàn)，引起了社會(huì)強(qiáng)烈關(guān)注。文章針對一起儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故調(diào)查分析，對其安全管理提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能電站;儲(chǔ)能鋰電池;火災(zāi)事故;調(diào)查工作

1? 火災(zāi)基本情況

2021年5月10日5時(shí)53分，高郵市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)電池產(chǎn)業(yè)園某企業(yè)生產(chǎn)的箱式儲(chǔ)能電站在試運(yùn)行期間發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)過火面積約20m2，直接財(cái)產(chǎn)損失14萬元，無人員傷亡。

2? 箱式儲(chǔ)能電站的基本情況

該箱式儲(chǔ)能電站在用電低谷時(shí)向電池組充電儲(chǔ)能，在用電高峰時(shí)電池組放電回饋電網(wǎng)，對電網(wǎng)起到局部錯(cuò)峰調(diào)谷均衡用電負(fù)荷的作用;電站由鋰離子電池組、能量轉(zhuǎn)換裝置（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理云平臺(tái)（EMS）和儲(chǔ)能集裝箱組成;箱內(nèi)設(shè)有氣體滅火系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、滅火器等消防設(shè)施。

3? 火災(zāi)事故調(diào)查情況

火災(zāi)發(fā)生后，消防救援部門與企業(yè)技術(shù)人員共同進(jìn)行了現(xiàn)場勘驗(yàn)和原因分析。

該箱鋰電池儲(chǔ)能電站于2021年4月6日開始運(yùn)行測試，5月10日當(dāng)天氣溫19℃～33℃，天氣多云。箱體位于停車場一角，過火范圍在箱內(nèi)，對周邊建構(gòu)筑物無影響，儲(chǔ)能站外部設(shè)有一根電纜與電網(wǎng)連接。

3.1? 現(xiàn)場勘驗(yàn)

3.1.1? 箱體勘驗(yàn)

箱體分為兩個(gè)區(qū)域，一側(cè)為儲(chǔ)能電池區(qū)，一側(cè)為能量轉(zhuǎn)換區(qū)，中間有鐵質(zhì)門分隔。鐵質(zhì)箱體外觀過火變色，其中能量轉(zhuǎn)換區(qū)過火變色較重、漆面火燒發(fā)黑，儲(chǔ)能電池區(qū)外觀基本完好、漆面局部有輕微變色，排風(fēng)口有煙熏痕跡。箱體內(nèi)部均過火變色、漆面火燒發(fā)黑，其中能量轉(zhuǎn)換區(qū)過火變形扭曲、部分頂面坍塌，儲(chǔ)能電池區(qū)過火變形扭曲。

3.1.2? 能量轉(zhuǎn)換區(qū)勘驗(yàn)

能量轉(zhuǎn)換區(qū)主要有兩個(gè)柜體，分別是儲(chǔ)能變流器和控制裝置（PCS），均過火燒毀。電網(wǎng)輸入端口處接頭脫落粘連在面板上，鐵質(zhì)面板因短路被大面積燒穿，柜門也有兩處短路燒穿形成小洞口。

打開儲(chǔ)能變流器背面面板，內(nèi)部線路的絕緣橡膠層均過火脫落、線路裸露，并發(fā)生了較為嚴(yán)重的過載現(xiàn)象：電網(wǎng)接線處一條銅排線熔斷部分缺失，熔化的銅導(dǎo)線滴落在下方陶瓷片上;變壓器接線處的導(dǎo)線熔斷，熔斷的導(dǎo)線掉落在下方的鐵板上，鐵板有短路燒穿痕跡;PCS與儲(chǔ)能區(qū)連接的電纜線有部分殘留，絕緣層完好，透過透明絕緣層可看到內(nèi)部銅導(dǎo)線。

3.1.3? 儲(chǔ)能電池區(qū)勘驗(yàn)

儲(chǔ)能電池區(qū)有兩簇鋰電池模組，每簇鋰電池模組有27個(gè)電池模塊，每個(gè)電池模塊有144顆鋰電池，每18顆鋰電池連接為一個(gè)電池組。儲(chǔ)能區(qū)中間為過道，內(nèi)有七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)儲(chǔ)罐殘留、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警殘留和匯流柜（BMS）殘留。

簇1電池模組均過火，連接模塊的導(dǎo)線均脫落，鐵質(zhì)機(jī)箱過火變色，電池泄壓口全部脫落。

其中，模塊10、11、13、14機(jī)箱內(nèi)電池?cái)D壓拱起，模塊10、11、26、27機(jī)箱外側(cè)有短路燒穿痕跡。

模塊10機(jī)箱接線處和底部有大面積短路燒穿、機(jī)箱扭曲變形向外凸起，內(nèi)部電池發(fā)生鼓脹，中間位置的電池?cái)D壓拱起，電池移位，電池鋁制外包裝熔化燒毀，內(nèi)部電芯裸露，且接線口處的電池電芯炸出扭曲變形;模塊11機(jī)箱頂部、接線處和底部有明顯短路燒穿，電池鼓脹擠壓變形，電池未移位，中間位置電池輕微拱起。模塊13機(jī)箱完好，電池鼓脹擠壓變形，電池未移位，中間位置的電池?cái)D壓拱起。模塊14機(jī)箱完好，電池鼓脹擠壓變形，電池未移位，中間位置的電池?cái)D壓輕微拱起。模塊27機(jī)箱底部有短路燒穿孔洞、電池鼓脹但未擠壓變形;模塊26機(jī)箱接線口處有短路燒穿痕跡、電池鼓脹但未擠壓變形。其他模塊電池發(fā)生鼓脹、但未發(fā)生明顯擠壓變形。

簇2電池模組均過火，連接模塊的導(dǎo)線均脫落，鐵質(zhì)機(jī)箱過火變色。其中，模塊7機(jī)箱底部接線口處有短路燒穿，內(nèi)部電池中間位置發(fā)生鼓脹并擠壓拱起，電池未移位;模塊8機(jī)箱底部有短路燒穿痕跡，內(nèi)部電池中間位置發(fā)生鼓脹并擠壓輕微拱起，電池未移位;模塊9機(jī)箱底部、接線口處有短路燒穿痕跡，內(nèi)部電池中間位置發(fā)生鼓脹并擠壓輕微拱起，電池未移位。其他模塊電池發(fā)生鼓脹、但未發(fā)生明顯擠壓變形。

氣體滅火系統(tǒng)儲(chǔ)罐過火漆面碳化，壓力表停留在中間位置，仍有彈性，內(nèi)部氣體完好?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)燒毀，墻上有機(jī)箱殘留;監(jiān)控?cái)z像頭燒毀掉落在地面。

3.1.4? 對簇1模塊10進(jìn)行專項(xiàng)勘驗(yàn)

模塊10的電池組編號(hào)為73#～80#，每18顆鋰電池為一組，發(fā)生擠壓變形的為73#電池組1顆鋰電池和80#電池組4顆鋰電池，電池電池電芯熔化缺失，兩組電池之間形成了明顯的碳化坑。

將73#和80#的最外側(cè)一排電池取出復(fù)原并編號(hào)進(jìn)行勘驗(yàn)，73#電池組A電池鋁質(zhì)外殼部分熔化（鋁的熔點(diǎn)660.32℃），電池電芯裸露，外側(cè)電芯底部有少量缺失，電芯層未松動(dòng)。80#電池組B電池鋁制外殼熔化缺失，電池內(nèi)的兩塊電芯，一塊完全燒毀缺失，一塊底部大部分缺失，只有上部少量殘留，電芯層松動(dòng)，剝開一層電芯，電芯正極銅箔（銅的熔點(diǎn)1084.62℃）在缺口處有樹枝狀的痕跡;電芯的負(fù)極鋁箔已經(jīng)燒毀，正負(fù)極中間的隔膜全部碳化。C電池鋁質(zhì)外殼熔化缺失，電芯裸露底部有少量缺失，電芯層未松動(dòng)。D電池鋁質(zhì)外殼部分熔化缺失，電芯裸露底部有少量缺失，電芯層未松動(dòng)。E電池鋁質(zhì)外殼部分熔化缺失，電芯裸露基本完好，電芯層未松動(dòng)。其他電池鋁制外殼完好，電芯未裸露。簇1的11、13、14號(hào)模塊和簇2的7、8、9號(hào)模塊電池鋁制外殼部分熔化缺失、電芯部分裸露但基本完好無缺失。

3.1.5? 銅箔邊緣比對

為了分析電芯正極銅箔缺口處樹枝狀痕跡的成因，分別用氬弧切割（6000～8000℃）、煤氣氧氣切割（1800～2000℃）對銅箔進(jìn)行了切割痕跡比對。

煤氣氧氣切割，銅箔邊緣平滑，無樹枝狀殘留，銅箔火燒發(fā)黑;氬弧切割，銅箔邊緣粗糙，有棱角狀殘留，銅箔顏色加深;火場中的銅箔邊緣清晰，表面光亮，銅箔形成樹枝狀特征，分析認(rèn)為這種樹枝狀的銅箔殘留是鋰電池電芯短路產(chǎn)生的。

3.2? 能量管理云平臺(tái)（EMS）查閱

該儲(chǔ)能站每日0時(shí)至8時(shí)通過電網(wǎng)向電池組充電，8時(shí)至12時(shí)及17時(shí)至24時(shí)儲(chǔ)能站向電網(wǎng)放電。5時(shí)24分01秒，EMS監(jiān)管平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示儲(chǔ)能變流器變位，PCS停止充電，此時(shí)無電力輸入，但隨即監(jiān)測到PCS故障信號(hào)、PCS關(guān)機(jī)，首次PCS直流欠壓告警，首次PCS直流過壓告警，并持續(xù)到5時(shí)24分13秒PCS直流過壓告警解除。5時(shí)44分54秒EMS離線。

BMS電池管理系統(tǒng)可以獨(dú)立實(shí)時(shí)記錄電池運(yùn)行狀態(tài)，由于數(shù)據(jù)量大主要存儲(chǔ)在自帶硬盤中，但硬盤在火災(zāi)中完全燒毀。BMS每五分鐘向EMS反饋一次電池運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，EMS于5月10日5時(shí)25分接受到電池剩余電量已經(jīng)充滿信號(hào)。

EMS接受到事故發(fā)生時(shí)兩個(gè)電池簇的數(shù)據(jù)，其中簇1模塊11第84號(hào)電池組在5時(shí)35分溫度達(dá)到108℃，隨后溫度不斷升高在5時(shí)40分達(dá)到65495℃，溫度傳感器已經(jīng)失效。簇1模塊10第77號(hào)電池組在5時(shí)35分電壓3.17V后發(fā)生突變于5時(shí)40分達(dá)到65.535V。簇2電池模組數(shù)據(jù)正常。

儲(chǔ)能站內(nèi)的視頻監(jiān)控、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)均在火災(zāi)中燒毀無法調(diào)閱監(jiān)管數(shù)據(jù)。

3.3? 事故原因

3.3.1? 起火部位認(rèn)定

排除能量轉(zhuǎn)換區(qū)。首先發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的門衛(wèi)在5時(shí)40分左右首先聽到箱體內(nèi)發(fā)生爆炸，隨后看到能量轉(zhuǎn)換區(qū)通風(fēng)板有濃煙和火苗冒出，便通知廠內(nèi)員工首先斷開輸入電源，然后打開了能量轉(zhuǎn)換區(qū)的門進(jìn)行滅火，儲(chǔ)能區(qū)的高溫高壓可燃蒸汽穿過能量轉(zhuǎn)換區(qū)沖出門外，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換區(qū)火勢猛烈、變色重。

排除簇2電池模組。簇2電池模組監(jiān)測鋰電池運(yùn)行各項(xiàng)數(shù)值正常，機(jī)箱短路燒穿缺失較輕，鋰電池電芯無缺失，可排除起火部位。

排除簇1模塊10第77號(hào)電池組，雖然監(jiān)測顯示77號(hào)電池電壓達(dá)到65.5V，遠(yuǎn)超最高正常電壓3.65V，但現(xiàn)場勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)77號(hào)電池組電池除發(fā)生鼓脹外，鋁制外殼均完好未熔化缺失、電芯無裸露，說明77號(hào)電池組只是瞬間接受到65.5V的最高電壓，其他電池也過壓但不是最高值所以沒有顯示。

排除簇1模塊11第84號(hào)電池組，雖然監(jiān)測顯示84號(hào)電池組達(dá)到65495℃，說明溫度傳感器已經(jīng)失效，現(xiàn)場勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)84號(hào)電池組電池除發(fā)生鼓脹外，鋁制外殼均完好未熔化缺失、電芯無裸露，說明80號(hào)電池組起火后瞬間溫度比其他電池最先達(dá)到最高值，但并不是最先起火的電池。

綜上所述，認(rèn)定起火部位位于簇1模塊10，起火點(diǎn)位于模塊10第80號(hào)電池組B號(hào)電池處，火勢呈現(xiàn)從B號(hào)電池向周邊蔓延擴(kuò)大態(tài)勢。

3.3.2? 火災(zāi)直接原因分析

火災(zāi)直接原因系儲(chǔ)能區(qū)簇1模塊10第80號(hào)鋰電池組B號(hào)電池充滿電后電芯發(fā)生短路，電池殼體膨脹爆炸起火，引起周邊鋰電池高溫膨脹擠壓變形，帶電的電池拱起后接觸到鐵質(zhì)機(jī)箱發(fā)生短路，導(dǎo)致儲(chǔ)能區(qū)其他鋰電池直流過壓發(fā)生連鎖爆燃引發(fā)火災(zāi)。

4? 鋰電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故防范與處置的幾點(diǎn)體會(huì)

4.1? 正確認(rèn)識(shí)鋰電池儲(chǔ)能電站的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性

該案中的單個(gè)集裝箱儲(chǔ)能站功率達(dá)到572kWh，電池模塊54個(gè)，每個(gè)模塊有144顆鋰電池，隨著技術(shù)進(jìn)步鋰電池能量密度還在不斷提升，每只儲(chǔ)能集裝箱都已成為能量的聚集地。此外，鋰電池電解液主要是由高揮發(fā)性、易燃性的有機(jī)溶劑組成的，如碳酸二甲酯（DMC），碳酸二乙酯（DEC），碳酸甲乙酯（EMC）等，所以每只集裝箱也是甲類?；返木奂?。雖然箱式儲(chǔ)能電站比一般發(fā)電站的建設(shè)規(guī)模小很多，卻是能量和?；返慕Y(jié)合體，火災(zāi)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)較高，具有甲類火災(zāi)危險(xiǎn)性生產(chǎn)廠房的特性。消防救援部門處置鋰電儲(chǔ)能電站事故應(yīng)當(dāng)按照處置有限空間內(nèi)正在發(fā)生反應(yīng)的?；肥鹿暑愋蛠硖幹?，而不能按照普通變配電站或帶電設(shè)備事故類型處置。

4.2? 提高儲(chǔ)能電池的本質(zhì)安全度

鋰離子電池安全問題主要與電解液易燃易爆特性有關(guān)?？蒲袡C(jī)構(gòu)已經(jīng)研究出向電解液添加阻燃劑能有效抑制電解液燃燒，是提高鋰電池安全性最直接有效的方法，說明實(shí)現(xiàn)鋰電池本質(zhì)安全是可以做到的，只是生產(chǎn)成本增加，尚不能實(shí)現(xiàn)市場化應(yīng)用。電力安全是國家能源安全的重要組成，儲(chǔ)能是保證電力安全、低碳、高效供給的重要技術(shù)。當(dāng)前，需要加強(qiáng)科研攻關(guān)，尋找新的高效廉價(jià)的阻燃劑，使電解液具有阻燃性甚至完全不燃，對儲(chǔ)能行業(yè)的安全發(fā)展意義重大。

4.3? 使用絕緣材料或者阻燃材料

該事故發(fā)生時(shí)，鋰電池均是剩余電量達(dá)到98%帶電體，儲(chǔ)能變流器已經(jīng)停止充電，理論上儲(chǔ)能區(qū)電路上是沒有電流的，但是電池發(fā)生故障后系統(tǒng)仍然監(jiān)測到直流過壓，是因?yàn)殇囯姵刈冃魏蠼佑|到鐵質(zhì)機(jī)箱發(fā)生短路、導(dǎo)致更多的鋰電池直流過壓發(fā)生連鎖反應(yīng)。因此，儲(chǔ)能區(qū)應(yīng)當(dāng)使用絕緣材料搭載電池，避免模塊鐵質(zhì)機(jī)箱帶電發(fā)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致更大事故的發(fā)生。

4.4? 集裝箱設(shè)置爆炸泄壓口

鋰電池起火后，在高溫的影響下外殼破裂電解液泄漏，很快形成爆炸性混合氣體，在密閉的集裝箱或者建筑內(nèi)積聚后極易發(fā)生爆炸。該事故中，門衛(wèi)發(fā)現(xiàn)起火后打開了艙室門使用滅火器滅火，箱內(nèi)壓力得到釋放發(fā)生爆燃并未發(fā)生爆炸，但回放現(xiàn)場救援視頻仍能看出爆燃能量巨大、火勢強(qiáng)勁。因此，集裝箱式的鋰電池儲(chǔ)能電站在箱體上應(yīng)當(dāng)設(shè)施泄壓窗口，并且與能量管理云平臺(tái)（EMS）聯(lián)動(dòng)，一旦發(fā)現(xiàn)有鋰電池超溫、超壓，窗口能夠自動(dòng)脫落，避免電解液蒸汽箱內(nèi)積聚;同時(shí)，一旦發(fā)生爆炸，窗口可以作為排泄壓力或者能量的通道，避免壓力升高導(dǎo)致整個(gè)箱體發(fā)生破壞，危及現(xiàn)場處置人員安全;泄壓口處應(yīng)當(dāng)設(shè)置明顯警示標(biāo)志，提醒現(xiàn)場處置人員躲避。

4.5? 提高軟件運(yùn)行的可靠性

該起事故中，直流過壓和欠壓都說明鋰電池出現(xiàn)了故障，特別是系統(tǒng)于5時(shí)24分01秒監(jiān)測直流欠壓后，又發(fā)生直流過壓狀態(tài)持續(xù)至5時(shí)24分13秒，然而EMS、BMS只起到了監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)的作用，在已經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)故障后，并沒有能夠采取控制措施阻止事故的發(fā)生，儲(chǔ)能電站管理系統(tǒng)安全運(yùn)行存在嚴(yán)重缺陷。建議能量管理云平臺(tái)EMS應(yīng)當(dāng)對能量轉(zhuǎn)換區(qū)和儲(chǔ)能電池區(qū)運(yùn)行狀態(tài)全時(shí)段實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦儲(chǔ)能變流器輸出電壓異?；蛘唠姵貑误w的電壓、溫度、剩余電量等超出設(shè)定值，應(yīng)當(dāng)立即切斷交流電網(wǎng)和儲(chǔ)能區(qū)域的電力;同時(shí)，EMS應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)，發(fā)出告警信息至相關(guān)人員、快速定位故障模塊、打開泄壓口和排風(fēng)機(jī)防止爆炸性混合氣體積聚等應(yīng)急操作，阻止事故的蔓延擴(kuò)大。

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Investigation and experience of a container-type energy storage plant fire accident

Zhai Xiaopeng

Guangling District Fire and Rescue Section of Yangzhou Municipal

Abstract：Electricity security is an important component of national energy security， and energy storage is an important technology to ensure safe， low-carbon and efficient supply of electricity. Energy storage power plants have developed rapidly in recent years， among which lithium battery energy storage systems are widely used with the advantages of light weight， high energy density and long cycle life， but their fire hazards have also gradually emerged and have aroused strong social concern. This paper investigates and analyzes a fire accident in an energy storage power plant and puts forward some suggestions for its safety management.

Keywords：energy storage power plant;lithium energy storage battery;fire accident;investigation work