鋰離子電池儲能電站消防救援的預防措施

董銀航 (上海化學工業區消防救援隊，上海 201507)

0 引言

進入新時代以來，電力儲能應用領域，鋰離子電池技術發展迅速，在電力儲能、通信基站、數據中心等領域得到了廣泛應用。但在實際應用中，由于電池的自身特性如安全性能、可靠性和壽命等因素，以及儲能電站本身結構特點導致其消防安全問題也較為突出，需要加強合理運用防控技術，避免消防火災等安全事故發生。

1 鋰離子電池儲能電站火災特征

1.1 燃燒速度快

鋰離子電池儲能電站火災起火初期多為白煙，由于燃燒速度快且伴隨著較強的熱輻射，火勢蔓延速度也很快。煙霧和輻射溫度隨時間變化：火災初期，煙霧量少，主要是由火焰在空氣中傳播蔓延造成，而輻射溫度則隨時間逐漸升高。火災初期的溫度極高，會導致周圍人員的體感溫度升高，同時，煙霧彌漫時對現場人員會產生強烈的熱輻射，使人感到異常悶熱。

1.2 火災溫度高

在鋰離子電池儲能站火災中，鋰離子電池的燃燒溫度均超過了500 ℃，鋰離子電池在使用過程中，隨著溫度的升高，會發生一系列熱物理和熱化學反應。在熱反應過程中會產生大量的熱量，鋰離子電池本身在高溫下可能已經出現膨脹，產生大量的熱應力，高溫下鋰離子電池內部的電解液也可能發生反應，產生新的化學物質，進而產生熱量。

1.3 持續時間長

在燃燒初期階段，鋰離子電池溫度升高快，且持續時間長，一般情況下，燃燒初期溫度會隨著熱蔓延的速度而升高，但鋰離子電池的高溫持續時間通常很短。

例如，某鋰離子電池儲能電站在發生火災后，初始燃燒溫度僅為600 ℃左右，燃燒持續時間只有10 min左右。但在后續的燃燒過程中，鋰離子電池熱失控速度較快，而火災煙氣持續增加導致熱量迅速聚集擴散到整個儲能電站，溫度快速升高至800 ℃以上。在起火后10 min左右，熱輻射強度達到峰值。鋰離子電池火災事故中，熱輻射強度峰值通常出現在電池的內部，并且峰值往往會隨著輻射溫度升高而增強。

1.4 產生有毒氣體

鋰離子電池儲能站火災還伴有大量的有毒氣體產生，從一些火災案例看，鋰離子電池儲能電站火災事故中的有毒氣體主要包括二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等，其中二氧化碳是鋰離子電池儲能電站火災的主要有害氣體，其含量高達15%～40%。在火災中，鋰離子電池儲能電站的煙氣具有高溫、高毒氣體濃度大及其腐蝕性強等特點，這使得滅火人員在現場處置時面臨著巨大的風險。為了降低此類危險性，有效滅火需要掌握如下幾個關鍵環節：首先要快速查明可燃氣體的來源與數量，其次要迅速隔離危險源，最后要及時控制有毒氣體的擴散蔓延過程。

2 鋰離子電池儲能電站火災原因及防控措施

2.1 常見鋰電儲能電站故障及原因

部分鋰電儲能電站由于其采用了高功率密度的鉛酸蓄電池作為儲能裝置，具有電壓高、壽命長、維護方便等優點，在電力系統中得到了廣泛的應用。在實際的鋰電儲能電站建設過程中也存在著各種各樣的安全隱患。如：高壓直流配電箱，容易產生短路或者過負荷等危險故障。高壓直流配電柜是直流電纜供電系統中較為關鍵和重要的組成部分，一旦發生火災，將會對系統運行造成較大影響。儲能站采用直流母線供電方式，當采用多路供電時，若其中一處出現故障，則會導致整個系統癱瘓。現場儲能設備為大功率電氣設備和電氣儀表等，發生火災將可能造成更大范圍的危害和損失。因此，傳統儲能電站設計方案和電氣控制程序存在一定欠缺和不足，火災將會給電池及消防安全帶來嚴重威脅。在上述幾種鋰電儲能電站常見故障中可以看出主要原因包括：鋰電池自身發熱、熱失控、過電流、短路以及直流母線故障等。

2.2 鋰電儲能電站火災防控技術

鋰電儲能電站采用的均為免維護型，不需要對電池系統進行定期維護。但目前大部分鋰電儲能電站仍存在大量可燃物，如：鋰電、電池板支架或電纜等，一旦發生火災爆炸事故將會嚴重影響電站的安全運行。針對鋰電儲能電站消防安全，在技術上提出了三種防護方案：(1)防排煙系統：該技術可將站內所有可燃物排出站外，防止爆炸或火災蔓延。(2)消防水炮：該方法可以在不影響滅火效果的情況下，降低消防系統耗水量，降低消防用水壓力。(3)氣體滅火系統：該方案利用壓縮空氣或氮氣與二氧化碳混合氣作為滅火劑進行滅火。

通過對火災事故案例的分析發現，鋰電儲能電站發生火災時由于其內部可燃物較多且不容易及時發現，往往導致火勢蔓延迅速造成人員傷亡。針對鋰電儲能電站火災特點及現有的火災防控技術特點，目前鋰電儲能電站的防煙方法主要包括：煙感探測器、防火門以及煙感系統(報警閥)幾種，其中煙感及防火門能有效控制明火燃燒蔓延，但在實際應用中受施工工藝、使用材料等因素影響，無法實現全部安裝或不能完全安裝，只能采取部分加裝或者局部安裝的措施。但這些措施不僅造價較高、耗時較長且難以保證消防安全。因此，下一步，相關科研機構或企業要針對鋰電儲能電站的火災防控技術進一步研究與探討。

2.3 建筑防火設計

消防通道寬度不宜小于4 m，每個房間不應少于兩個逃生出口，各出口距離不應小于5 m，每個房間內設有消防設備箱，室內走道每側應至少有一個出入口。建筑各部分火災危險性分析表明，蓄電池房的火災危險性最大，防火設計時重點考慮該因素，消防控制中心的設計應符合GB 50016—2014 《建筑設計規范》第6.2.1條和第6.2.3條的要求。蓄電池房與公共建筑之間的防火間距宜按實際情況考慮，當無法滿足時，應采用耐火極限不低于2.00 h的防火隔墻與建筑其他部分隔開[1]。

2.4 建筑消防設施配置及運行維護管理措施

規模型儲能電站應設置專職消防隊，負責人員培訓、滅火及應急救援工作，制定滅火方案，應明確消防人員、車輛及器材的配置要求。設計和建設單位應按有關規范及規程規定設置消防水池，設計單位對建筑平面布局應考慮消防系統設置的合理性，按相應規范要求進行設計。當鋰電池儲能電站具有火災危險性時，應設置可靠的消防安全疏散通道和避難場所，當建筑物耐火等級較低時，可采用防火墻分隔。儲能電站可根據實際情況增設火災自動報警系統(探測器)或增設具有火災報警功能和獨立火災探測報警功能的電氣火災監控系統(感煙探測器)等。消防給水方式采用消防水源混合供水，消防水池蓄水量應滿足40 L/S。電氣火災監控系統應符合GB 50082—2010 《建筑電氣設計規范》有關要求，當采用自動噴水滅火系統時，建筑外圍的消防用水設施與建筑內部的自動噴水滅火系統共用一個噴淋管網系統，當采用其他類型滅火設施時，應滿足《消防法》相關規定。室外消火栓供水不少于2個，室外消火栓箱應設在室外醒目位置，并有明顯的標識。當設置室外消火栓時，至少應有一具備用水泵和一個備用水泵房。在有特殊要求的場所內，可配置一定數量具備相應技能和知識的人員負責維護管理該場所內電氣防火安全。根據《電力設施保護條例》規定，建設單位需定期對儲能電站進行巡視檢查，記錄電池類型和數量、電池管理系統運行狀況等，保證鋰離子電站能夠最大限度避免火災發生，推動行業可持續發展和進步[2]。

2.5 應急處置與救援措施

(1)火災初期：發現火災時，要及時報警并迅速組織人員撤離至安全區域。(2)初期狀態：通過現場檢查、視頻監控、溫濕度監測等手段確定火災發展階段，采取相應的處置措施。(3)撲滅初期：利用消防水帶、水槍控制火情蔓延。(4)撲滅后期：對已無火勢的設備或儲配站進行清理和保護，防止火勢進一步蔓延，防止起火后火勢失控。

鋰電儲能電站在發生火災時，為了快速有效地對電池進行處置以及保證人員生命安全，需要迅速將電池轉移至安全區域，從而有利于對火災進行控制[3]。

2.6 鋰空氣電池的安全防護技術

目前，在傳統鋰離子電池儲能電站中，主要采用了以下幾種技術手段：第一，熱釋電技術。該技術利用空氣對蓄電池的熱分解作用，實現快速降溫，從而避免或減少蓄電池與電解液發生熱化學反應。第二，冷卻循環技術。冷卻降溫是電池內冷的主要方法之一，其原理是在電池內部產生一定熱量后，將電池內部電解液中的電解質氣化、帶走熱量，從而降低內壓，通過電池外部散熱設備進行散熱降溫，實現電池冷卻循環。第三，抑制腐蝕反應的化學防護措施。如：在蓄電池、極片表面涂覆抗腐蝕材料和涂覆防腐涂層等方式防止鋰離子電池氧化反應和腐蝕性液體侵蝕電池內部，另外還可在極板表面涂布一層化學防護膜以抑制腐蝕反應。第四，通過控制蓄電池正極材料、負極材料和電解液的接觸電阻，達到抑制電流通過的目的，在充放電時將正負極接觸面積增大，從而降低因電流沖擊造成的電荷積累效應對電池造成的危害，同時也可防止電解液發生化學反應而導致短路或熱失控等危險情況產生。第五，智能火災預警系統技術。該技術可通過在整個電池池內部安裝溫度傳感器實現智能火災預警系統功能，一旦發現局部溫升過高或過熱時立即發出報警信號、啟動消防泵滅火和啟動消防廣播設施疏散人員等。第六，火災探測與響應技術。當火情發生時，可根據系統內的故障報警信號或消防設施反饋回路等信息迅速啟動安全疏散程序、應急廣播及滅火系統進行疏散和滅火處理，也可通過火災探測器等檢測到起火后迅速啟動消防車趕赴現場進行滅火處理，還可以通過火災監控中心對火情進行監測并發出指令進行火災防控處理。

2.7 新型鋰離子電池保護系統設計

儲能系統的火災風險不僅取決于單體電池的安全性能，還取決于整個系統的安全性能，對鋰離子電池進行保護是防止鋰離子電池火災事故發生的關鍵。隨著新能源汽車的普及，越來越多地應用于儲能領域。儲能系統具有儲能密度高、能量轉換效率高、便于調度等優點，但也存在容量小、功率密度低、單體性能差異大等缺點。根據以上分析，針對鋰離子電池在儲能過程中出現的問題和隱患，本文提出了一種新型全絕緣式鋰離子電池保護系統(NCSP)。其中 NCSP由保護艙、保護箱和控制系統組成。NCSP內部有兩個獨立的絕緣體和本體連接，分別是兩個獨立的保護器，其作用是將絕緣艙內氣體的熱量進行收集并傳輸到外部空氣中去，保護箱內設有獨立密封箱體可以防止火災時產生有毒氣體進入到艙內。保護裝置由三組電流互感器組成具有信號處理功能，電池單體間為防止正負極短路電流引起電池內部溫度過高時采取了短路保護措施。當發生火災時，NCSP保護艙內產生的熱量會通過電纜和箱體上所設置的通道將鋰離子電池與外界隔離開，另外 NCSP可以根據火災場景選擇不同類型和功能的保護器配合使用。在具體設計過程中，根據具體火災工況對保護裝置種類和性能參數進行了優化選擇，該方案采用全絕緣式方式，通過一套保護系統可以實現兩個單體之間、單體內部氣體與本體間以及單體間溫度與電容量之間關系的隔離和監測功能。

2.8 案例分析

以鋰離子電池儲能電站為例，根據儲能系統的結構特點，將鋰離子電池作為重點防護對象，采用了全絕緣式電池組保護結構，以確保鋰空電池組能夠正常運行。對于具有熱蔓延風險的鋰空電池，則需要采用多點觸發保護機制。在進行全絕緣式鋰電電池組和傳統鋰電電池組的對比實驗中發現：全絕緣式鋰離子電池所需安裝空間更小、工作溫度范圍更廣，在火災蔓延初期能夠快速撲滅火災。傳統鋰電電池組則不能實現有效的熱蔓延控制。另外，全絕緣式鋰離子電池保護系統還可以通過對溫度和時間的智能判斷和管理，及時處理可能出現的突發狀況。

3 結語

在新時代背景下，鋰離子電池儲能電站合理運用火災防控技術有著重要的意義所在，需要結合當地的實際情況，了解火災的特點，并針對不同的問題采取相應的防控技術和方法，保證在發生火災時，能夠快速做出反應，對火災進行控制，減少人員傷亡的同時，最大程度上減少財產損失，為行業可持續發展奠定基礎。