儲能電站火災致因路徑及防治措施研究

楊 帆

(北京市消防救援總隊海淀支隊八家救援站,北京 100000)

1 引言

儲能電站主要是指利用各種類型的儲能方式構成的儲能系統，其可有效實現需求側管理，消除峰谷差，平滑負荷，目前已成為電力系統存儲電能的有效手段。隨著儲能電站應用日益廣泛，安全問題也接踵而來，儲能電站的安全風險因素種類繁多，火災爆炸等極端事故的發生帶來巨大的人員傷亡和財產損失。目前，關于儲能電站火災防治的研究已取得較多成果：艾紹偉等[1]圍繞儲能電站的火災預防措施展開探討；徐國棟等[2]對電池儲能電站安全問題進行研究；李首頂等[3]對鋰離子電池儲能系統現狀進行了分析；蔡興初等[4]研究了鋰電池儲能電站的消防設計；吳靜云等[5]對儲能電站消防系統進行研究；王忠等[6]對儲能電站消防安全現狀進行分析并提出火災防控措施；卓萍等[7]對鋰離子電池過充火災危險性進行研究；王春力[8]針對儲能電站早期預警系統進行分析。當前對儲能電站安全問題的研究主要集中在電池、防火設計、電站建設方面，然而儲能電站從設計建設再到運行維護等各階段火災隱患不計其數，儲能電站構造和性質特殊，一旦發生火災，后果和損失十分嚴重。

因此，為儲能電站火災風險進行科學評估和分析，針對性地提出儲能電站火災風險預防和管控措施，最大程度地降低儲能電站火災發生的概率和最大程度減輕儲能電站發生火災后的損失，具有重要的理論價值和實際意義。因此本文基于事故樹方法，對可能導致儲能電站火災的影響因素進行全面系統的定性分析，以確保儲能電站的安全穩定運行。

2 儲能電站主要危險源辨識

結合現有儲能電站安全問題現狀的研究，本文從人、機、物、環境、管理5個維度出發，找出致使儲能電站發生火災的危險因素，并在此基礎上建立影響因素模型，如圖1所示。

圖1 影響因素模型

人的不安全性主要分為兩個方面：一是由于能力素質不足，或者安全意識淡薄，或是主觀有意的行為，而進行的違章操作；二是由于缺乏工作經驗，在面對突發情況時處理不當造成事故。

設備風險因素主要包括設備故障、設備自身存在設計缺陷、設備在使用過程中老化以及設備質量不合格等因素。例如電池熱失控、電線短路或接觸不良、電氣設備漏電或絕緣不到位等。

大風、沙塵的氣象環境可能造成儲能系統內部灰塵積聚，一方面，不利于儲能系統的散熱，提高儲能系統運行溫度；另一方面，沙塵的存在，對系統的絕緣造成不利影響，而絕緣失效容易造成電氣設備電擊穿、局部高溫，都會誘發儲能電池熱失控。

管理問題主要是管理制度不完善，管理工作沒有落實到位。例如：缺少完整健全的安全管理體系、沒有完整健全的安全管理制度、安全生產制度實施力度小、安全技術人才缺乏、管理方案不科學、管理監督不到位等。

消防設施風險因素主要包括消防設施不完善、消防設施設置不合理、消防水源不足、消防設施不能及時啟動等。例如：儲能電站可能缺乏可燃氣體探測裝置或者探測裝置失靈，電站配備的滅火裝置不能發揮作用，站內人員或消防救援人員錯誤使用消防用水等。

3 基于事故樹的火災致因分析

根據火災發生的條件可知，當可燃物具備充足的燃燒條件并且未能及時發現火災、撲滅火災是火災可以發生、擴散、蔓延的主要原因，因此主要從可燃物、氧化劑、引火源等方面入手辨識。

3.1 事故樹的建立

根據儲能電站火災的危險源的辨識和分析，綜合火災發生的三要素和火災發生的規律對儲能電站火災事故案例的整合分析，將火災發生的各方面原因以事故樹的形式展示出來，直觀清晰顯示出事故之間的邏輯性，并對此作最小割集、最小徑集、結構重要度的定性分析，事故樹見圖2所示。

3.2 事故樹的分析

事故樹中的基本事件有30種，詳見表1所示。對各基本事件的邏輯關系進行分析，共得到576個最小割集，5個最小徑集，即有576種可能途徑會導致火災事故的發生，5種保障安全性的最佳方案。最后結合結構重要度的大小排序針對性地提出預防事故發生的有效措施。

表1 基本事件說明

3.2.1 最小割集分析

根據事故樹理論，事故樹的最小割集就是指能夠引起頂上事件發生的最低數量的基本事件的組合[9]，在事故樹中，30個基本事件構成了576個最小割集，最小割集如下所示。這說明可以儲能電站火災的因素是非常多的，必須加強儲能電站的安全管理，才能有效避免火災事故的發生。

K1=(X1，X10，X15，X19)，K2=(X1，X10，X15，X20)，K3=(X1，X10，X15，X21)

K4=(X1，X10，X15，X22)，K5=(X1，X10，X15，X23)，K6=(X1，X10，X15，X24)

K7=(X1，X10，X15，X25)，K8=(X1，X10，X15，X26)，K9=(X1，X10，X15，X27)

K10=(X1，X10，X15，X28)，K11=(X1，X10，X15，X29)，K12=(X1，X10，X15，X30)

K13=(X1，X10，X16，X19)，K14=(X1，X10，X16，X20)，K15=(X1，X10，X16，X21)

K16=(X1，X10，X16，X22)，K17=(X1，X10，X16，X23)，K18=X1，X10，X16，X24)

K19=(X1，X10，X16，X25)，K20=(X1，X10，X16，X26)

……

K576=(X1，X9，X18，X30)

3.2.2 最小徑集分析

最小徑集就是指能夠使得頂上事件不發生的最低數量的基本事件的集合。這樣，最小徑集就指明了哪些基本事件不同時發生就可以使頂上事件不發生的安全模式[9]。根據事故樹圖得到了5種最小徑集，分別如下所示。P1是指燃燒所必須的氧氣，若該電站無氧氣存在，則不構成燃燒三要素，事故就不會發生；P2和P3是圍繞引火源組成的事件，從火災根煙上杜絕事故的發生；P4從可燃物角度出發，旨在將可燃材料轉換成難燃材料從而防止事故的發生；P5主要從消防系統設計和安全管理層面角度分析，火災發生后采取對應措施進行滅火，最大限度地降低火災危害。

P1=(X1)

P2=(X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12)

P3=(X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X13，X14)

P4=(X15，X16，X17，X18)

P5=(X19，X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30)

3.2.3 結構重要度分析

不考慮各基本事件發生的難易程度，或假設各基本事件的發生概率相等，僅從事故樹的結構上研究各基本事件對頂事件的影響程度，得到結構重要度分析，各基本事件對頂事件影響程度從大到小如下排序。首先，氧氣的重要程度最大，其次，是可燃物和引火源，最后，是消防設計方面。

I(X1)>I(X18)=I(X17)=I(X16)=I(X15)>I(X11)=I(X10)=I(X9)=I(X8)=I(X7)=I(X6)=I(X5)=I(X4)=I(X3)=I(X2)>I(X12)>I(X30)=I(X29)=I(X28)=I(X27)=I(X26)=I(X25)=I(X24)=I(X23)=I(X22)=I(X21)=I(X20)=I(X19)=I(X14)=I(X13)

4 基于事故樹的有效防范措施

4.1 隔絕氧氣

由于電池熱失控過程中會釋放出氧氣，即使在外界無氧氣的參與下也能發生燃燒[10]，因此隔絕氧氣與電池便無關緊要了，然而氧氣出現在所有最小割集中，其危險性不容忽視，因此，只能從其他可燃物角度出發，做到氧氣的隔絕。

4.1.1 電線與氧氣的隔絕

電線里面的有機物(如聚氧乙烯)與空氣中的氧氣結合不完全燃燒會產生一氧化碳氣體，因此，為防止電線的氧化，可使用一種新型隔氧阻燃的耐火型電纜、電線埋于地下、外加電線保護套管等措施[11]。

4.1.2 電氣設備與氧氣的隔絕

在電氣設備外部鍍一層銀或錫等抗氧化性較強的金屬；若設備外部已經形成氧化膜，可以迅速在表面涂抹一層中性凡士林。

4.2 杜絕引火源的出現

儲能電站中的引火源大致分為三類：明火、電火花和雷擊火花。

(1)對于明火，主要是有人吸煙、外來火種和故意縱火。加強儲能電站的防火、用火管理，在危險區域內杜絕明火出現。主要措施包括明確嚴禁攜帶火種作業、制定嚴格的動火作業的審批和操作程序，動火前取得動火許可證、動火時有監管人員監督，還需加強消防安全教育，提高員工消防安全意識。

(2)針對電路故障和電氣設備故障，應加強作業管理和人員絕緣防護。作業時，應嚴格遵守作業規范，正確使用帶電設備，對設備和物品的絕緣性要定期進行檢查，發現絕緣性能下降的情況要立即維修或更換。對于絕緣保護，操作人員作業時必須使用絕緣防爆工具，穿著絕緣服裝和絕緣鞋，進行多重保護以避免產生電火花。

(3)結合以往案例事故，電池的熱失控往往是引發火災事故的關鍵因素，發熱失控的因素很多，總的來說分為內部因素和外部因素。內部因素主要是：電池生產缺陷導致內短路；電池使用不當，引發正負極短路。外部因素主要是：擠壓和碰撞等外部因素導致電池發生短路；電池外部短路造成電池內部熱量累積過快等，因此，要做好電池的安全防護，可以結合事故樹從電芯、電解質、外界溫度、充放電時間、電流強度、換熱系統等出發[12]。

(4)對于雷擊火花而言，主要做好防護工作，安裝符合要求的接地電阻和避雷裝置，做好對裝置設備的檢查維護工作。

4.3 加強可燃物的管理

在儲能電站中，常見的火災事故多以電氣火災和電池火災為主，電站中可燃材料多為電纜電線、電氣設備和電池，除了從引火源角度杜絕燃燒的發生，還要加強對可燃物的管理，在此主要圍繞可燃物的絕緣保護、質量要求、設備布置等進行分析。

(1)電池的選擇。儲能電池具有悠久的歷史，目前已經發展出包括鉛酸電池、鎳系電池、鋰系電池以及液流電池、鈉硫電池等類型[13]，在選擇電池時，不能只考慮經濟成本，也要將安全因素納入其中，包括電池的比能量和比功率、電池壽命、電池是否具有毒性、是否造成環境污染等。

(2)電氣設備的安裝布置。電池儲能系統除電芯外還包含BMS、PCS、變壓器以及相關繼電保護設備、通信設備等一系列一次、二次設備，在日常運行管理中，設備之間要有一定的安全距離；安裝調試機器時，人員要戴好絕緣用具；對功率較大的電氣設備添加保護器或防壓裝備。

(3)電纜電線的絕緣性。線束要做好防火處理；線束與線束之間應區分明顯，防止造成線束之間的干擾。

4.4 強化安全教育和健全安全制度

(1)對站內生產、操作、管理人員加強安全教育，使他們意識到安全生產的重要性，并把安全教育培訓與思想教育、崗位專業培訓有機結合，將提高安全意識和加強自我防護能力同提高業務能力相結合，從根本上提高安全教育的針對性與實用性。

(2)健全安全制度，如表2所示。安全制度的建立健全，幫助作業人員明確自身職責，嚴格按照規章制度辦事。制度涉及組織管理人員、施工人員、現場監管人員、安全技術人員等多個層面，使各級人員真正認識到哪些是危險點并掌握危險點的防控措施。

表2 安全管理制度

4.5 加強消防安全管理

(1)消防設計方面。站內應有消防安全滅火系統，包括火災自動報警系統、自動噴水滅火系統、防排煙系統、消火栓給水系統；除此之外，應按國家規范要求設置防火防煙分區，留出消防逃生通道，消火栓中給水充足；由于電氣火災和電池火災屬于E類火災，不適合水或泡沫滅火劑，還應配備符合儲能電站特殊性的滅火器。

(2)消防制度方面。應依法建立消防安全責任制，通過建立防火檢查巡查制度、應急處置制度，明確各級、各崗位的消防安全職責，負責組織實施日常消防安全管理工作。

5 結論

(1)本文首先分析了儲能電站中的危險因素，從人的不安全性、設備的不安全狀態、環境影響、管不到位和消防設計缺陷5個方面進行危險源辨識，為編制事故樹提供依據。

(2)結合事故樹的最小割集、最小徑集和結構重要度分析，從氧氣、引火源、可燃物、消防設計、安全管理角度制定防治火災的措施。根據576個最小割集可知，加強對最小割集的管理可有效防止火災事故的發生，氧氣出現在所有最小割集中，是發生火災爆炸必不可少的因素，因此必須嚴格管制；根據最小徑集可以發現，氧氣構成了火災事故的主要隱患來源，且在5個最小徑集中重要性最大；根據結構重要度結果可得到同樣的分析。

(3)由于僅從定性角度上分析火災致因，缺乏定量討論，難以挖掘事故深層次的原因，結果難免存在不足。