锂离子电池储能电站消防救援的预防措施

董银航 (上海化学工业区消防救援队，上海 201507)

0 引言

进入新时代以来，电力储能应用领域，锂离子电池技术发展迅速，在电力储能、通信基站、数据中心等领域得到了广泛应用。但在实际应用中，由于电池的自身特性如安全性能、可靠性和寿命等因素，以及储能电站本身结构特点导致其消防安全问题也较为突出，需要加强合理运用防控技术，避免消防火灾等安全事故发生。

1 锂离子电池储能电站火灾特征

1.1 燃烧速度快

锂离子电池储能电站火灾起火初期多为白烟，由于燃烧速度快且伴随着较强的热辐射，火势蔓延速度也很快。烟雾和辐射温度随时间变化：火灾初期，烟雾量少，主要是由火焰在空气中传播蔓延造成，而辐射温度则随时间逐渐升高。火灾初期的温度极高，会导致周围人员的体感温度升高，同时，烟雾弥漫时对现场人员会产生强烈的热辐射，使人感到异常闷热。

1.2 火灾温度高

在锂离子电池储能站火灾中，锂离子电池的燃烧温度均超过了500 ℃，锂离子电池在使用过程中，随着温度的升高，会发生一系列热物理和热化学反应。在热反应过程中会产生大量的热量，锂离子电池本身在高温下可能已经出现膨胀，产生大量的热应力，高温下锂离子电池内部的电解液也可能发生反应，产生新的化学物质，进而产生热量。

1.3 持续时间长

在燃烧初期阶段，锂离子电池温度升高快，且持续时间长，一般情况下，燃烧初期温度会随着热蔓延的速度而升高，但锂离子电池的高温持续时间通常很短。

例如，某锂离子电池储能电站在发生火灾后，初始燃烧温度仅为600 ℃左右，燃烧持续时间只有10 min左右。但在后续的燃烧过程中，锂离子电池热失控速度较快，而火灾烟气持续增加导致热量迅速聚集扩散到整个储能电站，温度快速升高至800 ℃以上。在起火后10 min左右，热辐射强度达到峰值。锂离子电池火灾事故中，热辐射强度峰值通常出现在电池的内部，并且峰值往往会随着辐射温度升高而增强。

1.4 产生有毒气体

锂离子电池储能站火灾还伴有大量的有毒气体产生，从一些火灾案例看，锂离子电池储能电站火灾事故中的有毒气体主要包括二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等，其中二氧化碳是锂离子电池储能电站火灾的主要有害气体，其含量高达15%～40%。在火灾中，锂离子电池储能电站的烟气具有高温、高毒气体浓度大及其腐蚀性强等特点，这使得灭火人员在现场处置时面临着巨大的风险。为了降低此类危险性，有效灭火需要掌握如下几个关键环节：首先要快速查明可燃气体的来源与数量，其次要迅速隔离危险源，最后要及时控制有毒气体的扩散蔓延过程。

2 锂离子电池储能电站火灾原因及防控措施

2.1 常见锂电储能电站故障及原因

部分锂电储能电站由于其采用了高功率密度的铅酸蓄电池作为储能装置，具有电压高、寿命长、维护方便等优点，在电力系统中得到了广泛的应用。在实际的锂电储能电站建设过程中也存在着各种各样的安全隐患。如：高压直流配电箱，容易产生短路或者过负荷等危险故障。高压直流配电柜是直流电缆供电系统中较为关键和重要的组成部分，一旦发生火灾，将会对系统运行造成较大影响。储能站采用直流母线供电方式，当采用多路供电时，若其中一处出现故障，则会导致整个系统瘫痪。现场储能设备为大功率电气设备和电气仪表等，发生火灾将可能造成更大范围的危害和损失。因此，传统储能电站设计方案和电气控制程序存在一定欠缺和不足，火灾将会给电池及消防安全带来严重威胁。在上述几种锂电储能电站常见故障中可以看出主要原因包括：锂电池自身发热、热失控、过电流、短路以及直流母线故障等。

2.2 锂电储能电站火灾防控技术

锂电储能电站采用的均为免维护型，不需要对电池系统进行定期维护。但目前大部分锂电储能电站仍存在大量可燃物，如：锂电、电池板支架或电缆等，一旦发生火灾爆炸事故将会严重影响电站的安全运行。针对锂电储能电站消防安全，在技术上提出了三种防护方案：(1)防排烟系统：该技术可将站内所有可燃物排出站外，防止爆炸或火灾蔓延。(2)消防水炮：该方法可以在不影响灭火效果的情况下，降低消防系统耗水量，降低消防用水压力。(3)气体灭火系统：该方案利用压缩空气或氮气与二氧化碳混合气作为灭火剂进行灭火。

通过对火灾事故案例的分析发现，锂电储能电站发生火灾时由于其内部可燃物较多且不容易及时发现，往往导致火势蔓延迅速造成人员伤亡。针对锂电储能电站火灾特点及现有的火灾防控技术特点，目前锂电储能电站的防烟方法主要包括：烟感探测器、防火门以及烟感系统(报警阀)几种，其中烟感及防火门能有效控制明火燃烧蔓延，但在实际应用中受施工工艺、使用材料等因素影响，无法实现全部安装或不能完全安装，只能采取部分加装或者局部安装的措施。但这些措施不仅造价较高、耗时较长且难以保证消防安全。因此，下一步，相关科研机构或企业要针对锂电储能电站的火灾防控技术进一步研究与探讨。

2.3 建筑防火设计

消防通道宽度不宜小于4 m，每个房间不应少于两个逃生出口，各出口距离不应小于5 m，每个房间内设有消防设备箱，室内走道每侧应至少有一个出入口。建筑各部分火灾危险性分析表明，蓄电池房的火灾危险性最大，防火设计时重点考虑该因素，消防控制中心的设计应符合GB 50016—2014 《建筑设计规范》第6.2.1条和第6.2.3条的要求。蓄电池房与公共建筑之间的防火间距宜按实际情况考虑，当无法满足时，应采用耐火极限不低于2.00 h的防火隔墙与建筑其他部分隔开[1]。

2.4 建筑消防设施配置及运行维护管理措施

规模型储能电站应设置专职消防队，负责人员培训、灭火及应急救援工作，制定灭火方案，应明确消防人员、车辆及器材的配置要求。设计和建设单位应按有关规范及规程规定设置消防水池，设计单位对建筑平面布局应考虑消防系统设置的合理性，按相应规范要求进行设计。当锂电池储能电站具有火灾危险性时，应设置可靠的消防安全疏散通道和避难场所，当建筑物耐火等级较低时，可采用防火墙分隔。储能电站可根据实际情况增设火灾自动报警系统(探测器)或增设具有火灾报警功能和独立火灾探测报警功能的电气火灾监控系统(感烟探测器)等。消防给水方式采用消防水源混合供水，消防水池蓄水量应满足40 L/S。电气火灾监控系统应符合GB 50082—2010 《建筑电气设计规范》有关要求，当采用自动喷水灭火系统时，建筑外围的消防用水设施与建筑内部的自动喷水灭火系统共用一个喷淋管网系统，当采用其他类型灭火设施时，应满足《消防法》相关规定。室外消火栓供水不少于2个，室外消火栓箱应设在室外醒目位置，并有明显的标识。当设置室外消火栓时，至少应有一具备用水泵和一个备用水泵房。在有特殊要求的场所内，可配置一定数量具备相应技能和知识的人员负责维护管理该场所内电气防火安全。根据《电力设施保护条例》规定，建设单位需定期对储能电站进行巡视检查，记录电池类型和数量、电池管理系统运行状况等，保证锂离子电站能够最大限度避免火灾发生，推动行业可持续发展和进步[2]。

2.5 应急处置与救援措施

(1)火灾初期：发现火灾时，要及时报警并迅速组织人员撤离至安全区域。(2)初期状态：通过现场检查、视频监控、温湿度监测等手段确定火灾发展阶段，采取相应的处置措施。(3)扑灭初期：利用消防水带、水枪控制火情蔓延。(4)扑灭后期：对已无火势的设备或储配站进行清理和保护，防止火势进一步蔓延，防止起火后火势失控。

锂电储能电站在发生火灾时，为了快速有效地对电池进行处置以及保证人员生命安全，需要迅速将电池转移至安全区域，从而有利于对火灾进行控制[3]。

2.6 锂空气电池的安全防护技术

目前，在传统锂离子电池储能电站中，主要采用了以下几种技术手段：第一，热释电技术。该技术利用空气对蓄电池的热分解作用，实现快速降温，从而避免或减少蓄电池与电解液发生热化学反应。第二，冷却循环技术。冷却降温是电池内冷的主要方法之一，其原理是在电池内部产生一定热量后，将电池内部电解液中的电解质气化、带走热量，从而降低内压，通过电池外部散热设备进行散热降温，实现电池冷却循环。第三，抑制腐蚀反应的化学防护措施。如：在蓄电池、极片表面涂覆抗腐蚀材料和涂覆防腐涂层等方式防止锂离子电池氧化反应和腐蚀性液体侵蚀电池内部，另外还可在极板表面涂布一层化学防护膜以抑制腐蚀反应。第四，通过控制蓄电池正极材料、负极材料和电解液的接触电阻，达到抑制电流通过的目的，在充放电时将正负极接触面积增大，从而降低因电流冲击造成的电荷积累效应对电池造成的危害，同时也可防止电解液发生化学反应而导致短路或热失控等危险情况产生。第五，智能火灾预警系统技术。该技术可通过在整个电池池内部安装温度传感器实现智能火灾预警系统功能，一旦发现局部温升过高或过热时立即发出报警信号、启动消防泵灭火和启动消防广播设施疏散人员等。第六，火灾探测与响应技术。当火情发生时，可根据系统内的故障报警信号或消防设施反馈回路等信息迅速启动安全疏散程序、应急广播及灭火系统进行疏散和灭火处理，也可通过火灾探测器等检测到起火后迅速启动消防车赶赴现场进行灭火处理，还可以通过火灾监控中心对火情进行监测并发出指令进行火灾防控处理。

2.7 新型锂离子电池保护系统设计

储能系统的火灾风险不仅取决于单体电池的安全性能，还取决于整个系统的安全性能，对锂离子电池进行保护是防止锂离子电池火灾事故发生的关键。随着新能源汽车的普及，越来越多地应用于储能领域。储能系统具有储能密度高、能量转换效率高、便于调度等优点，但也存在容量小、功率密度低、单体性能差异大等缺点。根据以上分析，针对锂离子电池在储能过程中出现的问题和隐患，本文提出了一种新型全绝缘式锂离子电池保护系统(NCSP)。其中 NCSP由保护舱、保护箱和控制系统组成。NCSP内部有两个独立的绝缘体和本体连接，分别是两个独立的保护器，其作用是将绝缘舱内气体的热量进行收集并传输到外部空气中去，保护箱内设有独立密封箱体可以防止火灾时产生有毒气体进入到舱内。保护装置由三组电流互感器组成具有信号处理功能，电池单体间为防止正负极短路电流引起电池内部温度过高时采取了短路保护措施。当发生火灾时，NCSP保护舱内产生的热量会通过电缆和箱体上所设置的通道将锂离子电池与外界隔离开，另外 NCSP可以根据火灾场景选择不同类型和功能的保护器配合使用。在具体设计过程中，根据具体火灾工况对保护装置种类和性能参数进行了优化选择，该方案采用全绝缘式方式，通过一套保护系统可以实现两个单体之间、单体内部气体与本体间以及单体间温度与电容量之间关系的隔离和监测功能。

2.8 案例分析

以锂离子电池储能电站为例，根据储能系统的结构特点，将锂离子电池作为重点防护对象，采用了全绝缘式电池组保护结构，以确保锂空电池组能够正常运行。对于具有热蔓延风险的锂空电池，则需要采用多点触发保护机制。在进行全绝缘式锂电电池组和传统锂电电池组的对比实验中发现：全绝缘式锂离子电池所需安装空间更小、工作温度范围更广，在火灾蔓延初期能够快速扑灭火灾。传统锂电电池组则不能实现有效的热蔓延控制。另外，全绝缘式锂离子电池保护系统还可以通过对温度和时间的智能判断和管理，及时处理可能出现的突发状况。

3 结语

在新时代背景下，锂离子电池储能电站合理运用火灾防控技术有着重要的意义所在，需要结合当地的实际情况，了解火灾的特点，并针对不同的问题采取相应的防控技术和方法，保证在发生火灾时，能够快速做出反应，对火灾进行控制，减少人员伤亡的同时，最大程度上减少财产损失，为行业可持续发展奠定基础。