鋰電池儲能系統(tǒng)消防設計

李春陽 李立強 羅易 周承軍

摘? 要：鋰電池儲能系統(tǒng)作為我國國內新興的電網調峰調頻的技術產品，其在電網中起到改善電能質量的重要作用。而鋰電池具有能量密度高、循環(huán)數次多等優(yōu)點，但是其危險性也高。目前國家還尚未對鋰電池儲能系統(tǒng)的消防設計出臺相關標準和規(guī)范，該文將根據項目建設經驗和鋰電池的特性針對性地提出具體消防措施。

關鍵詞：消防設計;儲能系統(tǒng);鋰電池

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0 引言

近年來，隨著鋰電池的技術不斷改進優(yōu)化，鋰電池以其能量密度高、循環(huán)次數多、體積小等優(yōu)點成為儲能行業(yè)的中堅力量。根據“中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會”最新公布的數據顯示，在2018年上半年，中國新增投運電化學儲能項目裝機規(guī)模約100.4 MW，鋰電儲能裝機規(guī)模最大，為94.1 MW，占比為94%，同比增長172%。但是隨著鋰電池儲能系統(tǒng)的裝機量不斷增加，鋰電池儲能系統(tǒng)的安全隱患也不斷顯現出來。

1 鋰電池儲能系統(tǒng)危險源分析

鋰電池儲能系統(tǒng)發(fā)生火災隱患大致分為鋰電池內部反應失控和電氣設備的火災隱患2個方面。根據消防規(guī)定，電池安置位置（后文簡稱為電池倉）和安置高、低壓電氣設備位置（后文簡稱為設備倉）是隔離設計。

1.1 鋰電池

鋰電池充放電主要是靠化學反應來完成的，在充放電過程中不可避免的會產生熱能，如果電池自身產生的熱能超過了電池熱量的耗散能力，鋰電池無法得到及時散熱，熱量就會積累導致電池過熱，電池內部材料之間發(fā)生了化學反應，象SEI膜分解、電解液分解、正負極分解等，分解中將產生大量的熱量和氣體使電池出現發(fā)熱、鼓包現象，熱量將會引起電池失控，電池溫度迅速上升，導致電池材料內部燃燒，且電池液的分解就會產生可燃性氣體，當可燃氣體濃度達到一定程度之后，遇到明火將發(fā)生爆炸。

所以，鋰離子電池反應失控表面現象主要有電池發(fā)熱、鼓包、煙霧、明火、燃燒，甚至爆炸，出現上述問題主要源于電池內部化學反應過快控制不住，而外界的過充、刺穿、火源、擠壓、短路等外部因素都會導致上述問題的產生。并且鋰電池儲能系統(tǒng)的電池模組是將多個電池組串聯(lián)一起的設計，這無疑也增大了鋰電池的安全隱患，而且一旦某個電池性能不穩(wěn)定發(fā)生火災，也勢必影響周邊鋰電池的安全，進一步的擴大火災范圍。

1.2 電氣設備

鋰電池儲能系統(tǒng)中存在著大量的電氣設備，其電氣設備的穩(wěn)定性和安全性也必將影響到電池的性能和穩(wěn)定，象意外操作的高電壓、大電流、雷電浪涌的沖擊。由于鋰電池儲能系統(tǒng)中弱電系統(tǒng)及通信系統(tǒng)較多，系統(tǒng)中的高電壓、大電流勢必對儲能系統(tǒng)系統(tǒng)影響很大，同時也會對儲能系統(tǒng)的保護元器件造成損壞，導致無法進行保護動作甚至引起火災。

2 消防安全措施

鋰電池消防安全是整個儲能系統(tǒng)設計的重點防范內容，下面將從多個方面來探討鋰電池儲能系統(tǒng)的消防安全措施。

2.1 消防報警系統(tǒng)

鋰電池因自身或者外界條件刺激下導致內部化學反應失控導致自燃的整個過程，都會有氣體、能量的釋放以及煙霧的產生，嚴重的話還會出現明火燃燒。借鑒《火力發(fā)電廠與變系統(tǒng)設計防火規(guī)范》《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》等行業(yè)標準，即將鋰電池安放位置與其他設備間單獨隔離分開，并設有專門的煙感、溫感、光感等探測器，并且可以根據不同鋰電池的特性，有針對性地增設相應氣體探測器。確保在電池失控早期檢測到電池倉內的氣體變化報警，聯(lián)動設備間的電氣設備斷開電源，將報警信息上傳至后臺監(jiān)控人員。如圖1所示。

2.2 自動滅火裝置

鋰電池本身帶有化學物質，其倉內連接的電氣設備較多，一旦發(fā)生火災，如不能及時滅火處理，隨著時間的拖延，其造成的損失會越來越大，為此儲能系統(tǒng)配置的滅火裝置必須是快速通過隔絕氧氣來窒息滅火的物理方式。在儲能系統(tǒng)行業(yè)中用的最為廣泛的滅火氣體是七氟丙烷。

七氟丙烷是一種無色、無味、不導電的氣體，其滅火原理是對化學反應鏈的反應抑制，是以液體儲存，氣體釋放的形式，在噴完之后可利用通風系統(tǒng)將氣體排出室內，滅火完之后不會留有殘留物，也不會對現場的電氣設備造成任務損耗和污染。在儲能系統(tǒng)安置六氟丙烷滅火裝置需要注意以下幾點。

2.2.1 噴放濃度

六氟丙烷噴放濃度需要根據實際防護面積大小來設計，如果滅火劑填裝不夠，現場有可能出現個別小的防護區(qū)域滅火濃度太大，其他防護區(qū)域滅火濃度較小，得不到理想滅火情況，在系統(tǒng)設計中滅火劑填充量應比實際濃度比高9%的余量，達到完全滅火要求。

2.2.2 全封閉空間設計

一般來說氣體滅火需要一個封閉式的空間才能保證滅火劑的滅火效果，七氟丙烷在釋放過程中，需要注意的是運維人員在電池倉內操作時，由于突發(fā)事故或者誤操作導致的火災發(fā)生時候，需要設置一個消防門，保證人員的生命安全。由于七氟丙烷在噴射完后，其液態(tài)形成了氣態(tài)，其室內壓強將迅速變大，在電池倉內需設置相應的排泄口。其泄壓裝置應根據室內建筑或者集裝箱結構所能承受的壓強進行具體的設計，防止封閉的建筑體或者集裝箱出現裂縫。

2.2.3 噴射時間的確定

一般情況下，如果鋰電池或者其他設備的固體表面預燃時間較長，在其內部就會形成深位火災，這個對消防安全來說是十分不利的，盡管滅火裝置可以將外部的明火熄滅，但是內部還有在燃燒，當重燃條件達到時，將又會復燃，如果預燃時間足夠長的話，甚至還可能發(fā)生爆炸等危險事故。為此根據相關規(guī)定和實際運行情況，將七氟丙烷實際噴射時間設置為8 s是較為合理的。

2.3 空調裝置

鋰電池的充放電時，是持續(xù)向外界散發(fā)熱量的過程，而環(huán)境溫度對鋰電池性會產生明顯的變化，鋰電池的-40 ℃～60 ℃的溫度特性如圖2所示。

由圖2可知，隨著溫度降低鋰電池的容量衰減加快，而高溫對鋰電池的容量變化作用不是很大，而且高溫環(huán)境下，電池倉內的電氣設備以及蓄電池都會增大其火災隱患的概率，為此儲能電站電池倉的最佳溫度為25 ℃，在該溫度下，電池的容量和安全性是最佳的。

2.4 聯(lián)動裝置

鋰電池儲能系統(tǒng)通常需要運維人員日常巡查，為了防止因為運維人員誤操作或者發(fā)生突發(fā)事故情況導致人員傷亡，在電池倉內需設置消防門和排風系統(tǒng)以及安置在外部的緊急停機按鈕，并與消防報警系統(tǒng)、自動滅火裝置和消防門、通風口等其他消防設備形成多級安全聯(lián)動裝置，其運行策略見表1。

2.5 電氣設計

對于電氣設備中可能會產生的高電壓、大電流等問題，在高壓側電路安裝防雷防浪涌、通信防雷防浪涌設備以及相應的避雷器。在設計時合理的利用原有建筑的防雷接地設施、整體降低高電壓、大電流的風險。

在儲能系統(tǒng)布置設計時候，需要考慮運維日常巡檢方便和突發(fā)事故的情況，在移動式儲能設備區(qū)域出入口應不少于2個。安置于地表上的儲能系統(tǒng)周邊需預留寬度至少3.5 m的消防車道，安置于地下室的儲能系統(tǒng)需預留寬度至少1.5 m的逃生通道，并在周邊設有相應的消防設施。

為了保證鋰電池儲能系統(tǒng)的消防供電穩(wěn)定性，消防設備所用的電必須單獨從市電接過來，且電纜采用耐火電纜，消防報警裝置、聯(lián)動控制等消防設備用電均均由該單獨的配電系統(tǒng)供電。

3 結語

隨著鋰電池技術不斷完善，其相應的儲能系統(tǒng)也將大規(guī)模應用起來，如何確保鋰電池儲能系統(tǒng)的安全是影響發(fā)展的第一等要素。該文結合自身建設經驗和行業(yè)內相關標準規(guī)范，對鋰電池儲能系統(tǒng)安全方面進行了探討，共同推進儲能行業(yè)的安全發(fā)展。

參考文獻

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