一起儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故的分析與研究

郭子清

（武威市消防救援支隊(duì)，甘肅 武威 733000）

2023 年4 月22 日17 時(shí)56 分，武威市消防救援支隊(duì)119 指揮中心接到報(bào)警稱，位于民勤縣某儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)，造成1 座儲(chǔ)能電池艙燒損，過火面積約30m2，直接經(jīng)濟(jì)損失約410 萬元，無人員傷亡。

1 儲(chǔ)能電站基本情況

該儲(chǔ)能電站設(shè)有4 座集裝箱式儲(chǔ)能電池艙及儲(chǔ)能升壓一體艙，由北向南依次布置，分別編號(hào)為1～4 號(hào)。每座儲(chǔ)能電池艙長(zhǎng)13.7m、寬2.43m、高2.95m，南、北兩側(cè)共設(shè)有16 個(gè)箱門，每個(gè)箱門對(duì)應(yīng)一簇電池組，其中北側(cè)由東向西設(shè)有1～7 簇電池組，南側(cè)由東向西設(shè)有8～14 簇電池組；中間部位設(shè)有電氣艙，電氣艙內(nèi)北側(cè)為氣體滅火系統(tǒng)、南側(cè)為電腦主機(jī)裝置（見圖1）。每簇電池組內(nèi)裝配有25 個(gè)電池模塊（見圖2），每個(gè)電池模塊又包括16 個(gè)磷酸鐵鋰電池芯，該磷酸鐵鋰電池芯型號(hào)為BQ280-16S、容量280AH、額定電壓3.2V、滿電電壓3.65V，上述每簇電池組內(nèi)25 個(gè)電池模塊之間、每個(gè)電池模塊16個(gè)電池芯之間均為串聯(lián)，簇與簇之間為并聯(lián)。此次起火艙室為1 號(hào)儲(chǔ)能電池艙。

圖1 1 號(hào)儲(chǔ)能電池艙平面布置圖

圖2 簇內(nèi)電池模塊裝配示意圖

2 起火部位認(rèn)定

通過現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以下燃燒痕跡特征：①電池艙頂部中間區(qū)域變色最重、向東西兩側(cè)逐漸變輕（見圖3）；②北側(cè)中間部位電氣艙門及3、4 簇電池組對(duì)應(yīng)箱門變形變色最重且向外彎曲，內(nèi)部空調(diào)機(jī)燒損變色嚴(yán)重，其余箱門外表面僅有輕微過火痕跡，內(nèi)部簇門密封膠條局部脫落、空調(diào)機(jī)燒損變色較輕；③南側(cè)中間電氣艙門外表面形成1 個(gè)V 字型痕跡，V 型痕跡底部位于艙門中間部位，對(duì)應(yīng)兩側(cè)11、12 簇電池組箱門變形變色較重，其余箱門僅有輕微過火痕跡；④北側(cè)中間部位氣體滅火系統(tǒng)未動(dòng)作，氣體容器瓶靠近4 簇電池組一側(cè)鼓脹，4 簇電池組呈現(xiàn)鼓脹擠壓變形，接線全部燒損脫落，上述接線絕緣層全部過火燒損、部分多股線芯熔斷，該側(cè)其余簇電池組接線僅有部分脫落、且部分電池組外殼擊穿呈不規(guī)則孔洞；⑤南側(cè)11、12 簇電池組接線局部燒損脫落、部分仍殘留連接，該側(cè)其余簇電池組接線基本完好。通過詢問第一報(bào)警人孔某宇、當(dāng)事人關(guān)某得知，最先發(fā)現(xiàn)北側(cè)4簇電池組箱門冒煙并伴有“嘭”的爆炸聲，由此確定起火部位為北側(cè)第4 簇電池組。

圖3 1 號(hào)儲(chǔ)能電池艙頂部變色

3 起火點(diǎn)認(rèn)定

對(duì)4 簇電池組進(jìn)行勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①內(nèi)部電池模塊表面均過火變色，電池模塊之間接線絕緣層全部燒損裸露、部分多股線芯熔斷；②3、11、12、21 號(hào)電池模塊接線線頭呈現(xiàn)熔化痕跡；③除12 號(hào)電池模塊為擠壓變形外，其余電池模塊均為鼓脹變形（見圖4），朝向12 號(hào)電池模塊一側(cè)燒損變形嚴(yán)重、其余部位變形較輕；④對(duì)監(jiān)控中心后臺(tái)數(shù)據(jù)提取分析，起火當(dāng)日17 時(shí)12 分時(shí)，1 號(hào)電池艙BMS 系統(tǒng)出現(xiàn)過壓一級(jí)警告，該電池艙第4 簇第12模塊電池電壓劇烈下降，溫度明顯上升；其后，1 號(hào)電池艙內(nèi)14 個(gè)簇各模塊整體出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，BMS 系統(tǒng)出現(xiàn)過壓二級(jí)警告；17 時(shí)25 分，1 號(hào)電池艙第4 簇第12 模塊電壓為0；17 時(shí)26 分，第4 簇第12 模塊兩次電芯采集信息，第一次探測(cè)電芯溫度為13455，第二次顯示為0；17 時(shí)30 分，1 號(hào)電池艙BMS 數(shù)據(jù)抓取失敗，電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)全部報(bào)錯(cuò)。由此確定，起火點(diǎn)為第4 簇電池組第12 模塊。

圖4 12 號(hào)電池模塊熱失控?zé)龘p痕跡

4 起火時(shí)間認(rèn)定

根據(jù)第一報(bào)警人孔某宇反映，2023 年4 月22 日15時(shí)許對(duì)1、3、4 號(hào)儲(chǔ)能電池艙進(jìn)行滿充實(shí)驗(yàn)，17 時(shí)30 分許其在測(cè)試車內(nèi)聽到“嘭”的爆炸聲，17 時(shí)51 分切斷充電回路后才撥打報(bào)警電話。調(diào)取119 報(bào)警記錄，4 月22日17 時(shí)56 分119 指揮中心接到孔某宇電話報(bào)警。對(duì)儲(chǔ)能電站監(jiān)控中心后臺(tái)數(shù)據(jù)提取分析，4 月22 日17 時(shí)12 分，1 號(hào)電池艙BMS 系統(tǒng)出現(xiàn)過壓一級(jí)警告；17 時(shí)12 分至14分，1 號(hào)電池艙14 簇電池組整體出現(xiàn)溫升；17 時(shí)15 分，1 號(hào)電池艙BMS 系統(tǒng)出現(xiàn)過壓二級(jí)警告；17 時(shí)22 分，充電電流顯示為*；17 時(shí)29 分，1 號(hào)電池艙電池模塊電壓下降至1.19V；17 時(shí)30 分，1 號(hào)電池艙電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)全部報(bào)錯(cuò)。綜合認(rèn)定起火時(shí)間為2023 年4 月22日17 時(shí)30 分左右。

5 起火原因認(rèn)定

5.1 排除遺留火種及外來火源

經(jīng)調(diào)查詢問，當(dāng)日現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員共3 人，分別為王某楠（電路測(cè)試工程師）、關(guān)某（電路測(cè)試工程師）、孔某宇（升壓艙廠家技術(shù)人員），上述3 人在調(diào)試設(shè)備期間均無吸煙行為，且電池艙內(nèi)線路絕緣層屬于自熄性材料、無法被煙頭等弱火源引燃。該儲(chǔ)能電站位于某荒灘區(qū)域，周圍無高大煙囪及切割電焊動(dòng)火作業(yè)，調(diào)取氣象資料發(fā)現(xiàn)起火當(dāng)日無大風(fēng)及雷電天氣。由此可排除遺留火種及外來火源引發(fā)火災(zāi)。

5.2 排除供電回路過電壓

對(duì)1 號(hào)電池艙對(duì)應(yīng)的升壓一體艙進(jìn)行勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，艙內(nèi)PCS 變流器、變壓器及接線控制板均無打火痕跡；調(diào)取當(dāng)日該地區(qū)330KV 變電站輸出電壓、電流數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，暫態(tài)過電壓智能檢測(cè)平臺(tái)“過壓記錄”“報(bào)警記錄”“實(shí)時(shí)記錄”和“召測(cè)記錄”數(shù)據(jù)正常，無異常波動(dòng)。由此可排除供電回路過電壓故障。

5.3 確定為磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э匾l(fā)火災(zāi)

據(jù)第一報(bào)警人孔某宇反映，發(fā)生火災(zāi)前聽到“嘭”的爆炸聲，其后看到起火部位處冒出白色煙氣并伴有刺激性氣味，5min 后開始冒出黑煙，證明電池組內(nèi)部發(fā)生電氣故障，電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生白色氣體，此后電池組內(nèi)部發(fā)生大規(guī)模短路、溫度急劇升高，引發(fā)明火并引燃線路絕緣層及其他可燃物，產(chǎn)生黑色煙氣，該過程符合鋰電池?zé)崾Э靥卣鳌Ｍㄟ^現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第4 簇第12 模塊電池呈現(xiàn)擠壓變形、其余電池均為鼓脹變形特征，證明該模塊電池最先發(fā)生故障后電解液分解放熱并產(chǎn)生氣體鼓脹，電池內(nèi)分解氣體噴放同時(shí)，周圍相鄰電池受外熱相繼發(fā)生熱失控產(chǎn)生鼓脹對(duì)最先鼓脹電池?cái)D壓并導(dǎo)致變形，符合鋰電池?zé)崾Э毓收贤庥^特征。對(duì)儲(chǔ)能電站監(jiān)控中心后臺(tái)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，1 號(hào)電池艙第4 簇第12 模塊電池電壓、溫度變化后，BMS 系統(tǒng)出現(xiàn)過壓一級(jí)警告，此后電池模塊均出現(xiàn)溫度升高；第4 簇第12 模塊電壓變?yōu)? 后，其他電池模塊電壓下降直至電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)全部報(bào)錯(cuò)，符合該模塊電池最先熱失控后造成其他電池相繼受熱短路引發(fā)火災(zāi)的邏輯順序。據(jù)此，綜合認(rèn)定起火原因?yàn)榈? 簇第12 模塊磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э匾l(fā)火災(zāi)。

6 幾點(diǎn)體會(huì)

（1）高度重視調(diào)查詢問。儲(chǔ)能電站作為當(dāng)前消防安全監(jiān)管的新興業(yè)態(tài)領(lǐng)域，其火災(zāi)具有一定特殊性，在調(diào)查詢問過程中需對(duì)起火時(shí)的情況作全面了解，包括火災(zāi)發(fā)現(xiàn)情況、蔓延情況、設(shè)備運(yùn)行情況、火災(zāi)前人員操作情況及其他用火用電情況，尤其對(duì)起火時(shí)電池的充電狀態(tài)、起火現(xiàn)象（包括氣體顏色、泄放聲音、電池噴射火、爆燃等）、電池放置環(huán)境、電池使用歷史、設(shè)備異常情況及相關(guān)數(shù)據(jù)的有效掌握，對(duì)鋰電池原理、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、起火條件的熟悉了解決定了火災(zāi)調(diào)查的成敗。

（2）正確理解現(xiàn)場(chǎng)痕跡特征。鋰電池火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)痕跡不能盲目根據(jù)一般火災(zāi)痕跡特征判斷起火部位、起火點(diǎn)，一定要根據(jù)鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理進(jìn)行分析判斷，一般來說，電池系統(tǒng)內(nèi)某一單體電池發(fā)生熱失控起火后對(duì)周圍電池形成熱濫用誘因，可導(dǎo)致周圍電池隔膜熔化損壞、形成新的熱失控依次傳導(dǎo)。所以，最先發(fā)生故障的電池由于從內(nèi)部起火，其燒損痕跡沒有明顯的方向性，從外部觀察，最先出現(xiàn)故障的電池往往不是燒損最為嚴(yán)重的；周圍因熱濫用引發(fā)熱失控電池迎火面一側(cè)發(fā)生隔膜熔化、殼體撕裂、破壞嚴(yán)重，其余部位則燒損變形相對(duì)較輕，具有明顯的方向性。

（3）創(chuàng)新現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)技術(shù)手段。鋰離子電池由涂覆在鋁箔集流器上的正極材料、涂覆在銅箔集流器上的負(fù)極材料、多孔高分子材料隔膜、易燃液體的電解液、金屬制或者鋁塑殼體以及一些安全保護(hù)裝置組成。火災(zāi)后鋰離子電池殘留物中正極材料、負(fù)極材料、隔膜均完全炭化，無法區(qū)分，一般情況下，鋁制集流器會(huì)因火災(zāi)高溫熔化或燒失，銅制集流器則會(huì)保留下來。因此，當(dāng)確定了最先發(fā)生故障的鋰離子電池時(shí)，可使用X 射線成像法、CT 三維成像法、電池拆解法等方法對(duì)故障電池內(nèi)部痕跡進(jìn)行分析。通常X 射線影像分析、CT 三維成像分析及電池拆解分析確定的故障點(diǎn)應(yīng)當(dāng)相互印證。X 射線影像分析得到一個(gè)比較粗略的方向，在此基礎(chǔ)上CT 三維成像分析可確定大概的故障點(diǎn)，經(jīng)過電池拆解分析，發(fā)現(xiàn)集流器上存在局部缺損痕跡，三者互相印證，可確定該缺失位置即為電池最初故障點(diǎn)。

（4）科學(xué)判斷鋰電池?zé)崾Э卣T因。鋰離子電池?zé)崾Э厥侵赣筛鞣N誘因引發(fā)鋰離子電池內(nèi)部局部或整體溫度急速上升，熱量無法及時(shí)釋放，大量聚集在內(nèi)部誘發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致電池高壓冒煙、起火的現(xiàn)象。目前，常見的熱失控誘因主要包括機(jī)械外力、高溫原因、電氣原因、內(nèi)短路等，而電氣原因又包括過充電、外部短路、過放電等具體原因，鋰離子電池在熱失控時(shí)由于內(nèi)部發(fā)生短路、不能輸出電流，在利用電池監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)需要注意，最先輸出電壓電流為0 的電池即為最初發(fā)生熱失控的電池。本案中，起火電池模塊設(shè)計(jì)充電時(shí)間為2h，在滿充測(cè)試過程中實(shí)際充電時(shí)間達(dá)3h，由于過充電導(dǎo)致鋰離子電池正、負(fù)極性質(zhì)發(fā)生變化，正、負(fù)極上的放熱反應(yīng)和鋰枝晶引發(fā)的內(nèi)短路共同引發(fā)電池?zé)崾Э亍?/p>