锂电池储能系统消防设计

李春阳 李立强 罗易 周承军

摘  要：锂电池储能系统作为我国国内新兴的电网调峰调频的技术产品，其在电网中起到改善电能质量的重要作用。而锂电池具有能量密度高、循环数次多等优点，但是其危险性也高。目前国家还尚未对锂电池储能系统的消防设计出台相关标准和规范，该文将根据项目建设经验和锂电池的特性针对性地提出具体消防措施。

关键词：消防设计;储能系统;锂电池

中图分类号：TK02                文献标志码：A

0 引言

近年来，随着锂电池的技术不断改进优化，锂电池以其能量密度高、循环次数多、体积小等优点成为储能行业的中坚力量。根据“中国化学与物理电源行业协会储能应用分会”最新公布的数据显示，在2018年上半年，中国新增投运电化学储能项目装机规模约100.4 MW，锂电储能装机规模最大，为94.1 MW，占比为94%，同比增长172%。但是随着锂电池储能系统的装机量不断增加，锂电池储能系统的安全隐患也不断显现出来。

1 锂电池储能系统危险源分析

锂电池储能系统发生火灾隐患大致分为锂电池内部反应失控和电气设备的火灾隐患2个方面。根据消防规定，电池安置位置（后文简称为电池仓）和安置高、低压电气设备位置（后文简称为设备仓）是隔离设计。

1.1 锂电池

锂电池充放电主要是靠化学反应来完成的，在充放电过程中不可避免的会产生热能，如果电池自身产生的热能超过了电池热量的耗散能力，锂电池无法得到及时散热，热量就会积累导致电池过热，电池内部材料之间发生了化学反应，象SEI膜分解、电解液分解、正负极分解等，分解中将产生大量的热量和气体使电池出现发热、鼓包现象，热量将会引起电池失控，电池温度迅速上升，导致电池材料内部燃烧，且电池液的分解就会产生可燃性气体，当可燃气体浓度达到一定程度之后，遇到明火将发生爆炸。

所以，锂离子电池反应失控表面现象主要有电池发热、鼓包、烟雾、明火、燃烧，甚至爆炸，出现上述问题主要源于电池内部化学反应过快控制不住，而外界的过充、刺穿、火源、挤压、短路等外部因素都会导致上述问题的产生。并且锂电池储能系统的电池模组是将多个电池组串联一起的设计，这无疑也增大了锂电池的安全隐患，而且一旦某个电池性能不稳定发生火灾，也势必影响周边锂电池的安全，进一步的扩大火灾范围。

1.2 电气设备

锂电池储能系统中存在着大量的电气设备，其电气设备的稳定性和安全性也必将影响到电池的性能和稳定，象意外操作的高电压、大电流、雷电浪涌的冲击。由于锂电池储能系统中弱电系统及通信系统较多，系统中的高电压、大电流势必对储能系统系统影响很大，同时也会对储能系统的保护元器件造成损坏，导致无法进行保护动作甚至引起火灾。

2 消防安全措施

锂电池消防安全是整个储能系统设计的重点防范内容，下面将从多个方面来探讨锂电池储能系统的消防安全措施。

2.1 消防报警系统

锂电池因自身或者外界条件刺激下导致内部化学反应失控导致自燃的整个过程，都会有气体、能量的释放以及烟雾的产生，严重的话还会出现明火燃烧。借鉴《火力发电厂与变系统设计防火规范》《火灾自动报警系统设计规范》等行业标准，即将锂电池安放位置与其他设备间单独隔离分开，并设有专门的烟感、温感、光感等探测器，并且可以根据不同锂电池的特性，有针对性地增设相应气体探测器。确保在电池失控早期检测到电池仓内的气体变化报警，联动设备间的电气设备断开电源，将报警信息上传至后台监控人员。如图1所示。

2.2 自动灭火装置

锂电池本身带有化学物质，其仓内连接的电气设备较多，一旦发生火灾，如不能及时灭火处理，随着时间的拖延，其造成的损失会越来越大，为此储能系统配置的灭火装置必须是快速通过隔绝氧气来窒息灭火的物理方式。在储能系统行业中用的最为广泛的灭火气体是七氟丙烷。

七氟丙烷是一种无色、无味、不导电的气体，其灭火原理是对化学反应链的反应抑制，是以液体储存，气体释放的形式，在喷完之后可利用通风系统将气体排出室内，灭火完之后不会留有残留物，也不会对现场的电气设备造成任务损耗和污染。在储能系统安置六氟丙烷灭火装置需要注意以下几点。

2.2.1 喷放浓度

六氟丙烷喷放浓度需要根据实际防护面积大小来设计，如果灭火剂填装不够，现场有可能出现个别小的防護区域灭火浓度太大，其他防护区域灭火浓度较小，得不到理想灭火情况，在系统设计中灭火剂填充量应比实际浓度比高9%的余量，达到完全灭火要求。

2.2.2 全封闭空间设计

一般来说气体灭火需要一个封闭式的空间才能保证灭火剂的灭火效果，七氟丙烷在释放过程中，需要注意的是运维人员在电池仓内操作时，由于突发事故或者误操作导致的火灾发生时候，需要设置一个消防门，保证人员的生命安全。由于七氟丙烷在喷射完后，其液态形成了气态，其室内压强将迅速变大，在电池仓内需设置相应的排泄口。其泄压装置应根据室内建筑或者集装箱结构所能承受的压强进行具体的设计，防止封闭的建筑体或者集装箱出现裂缝。

2.2.3 喷射时间的确定

一般情况下，如果锂电池或者其他设备的固体表面预燃时间较长，在其内部就会形成深位火灾，这个对消防安全来说是十分不利的，尽管灭火装置可以将外部的明火熄灭，但是内部还有在燃烧，当重燃条件达到时，将又会复燃，如果预燃时间足够长的话，甚至还可能发生爆炸等危险事故。为此根据相关规定和实际运行情况，将七氟丙烷实际喷射时间设置为8 s是较为合理的。

2.3 空调装置

锂电池的充放电时，是持续向外界散发热量的过程，而环境温度对锂电池性会产生明显的变化，锂电池的-40 ℃～60 ℃的温度特性如图2所示。

由图2可知，随着温度降低锂电池的容量衰减加快，而高温对锂电池的容量变化作用不是很大，而且高温环境下，电池仓内的电气设备以及蓄电池都会增大其火灾隐患的概率，为此储能电站电池仓的最佳温度为25 ℃，在该温度下，电池的容量和安全性是最佳的。

2.4 联动装置

锂电池储能系统通常需要运维人员日常巡查，为了防止因为运维人员误操作或者发生突发事故情况导致人员伤亡，在电池仓内需设置消防门和排风系统以及安置在外部的紧急停机按钮，并与消防报警系统、自动灭火装置和消防门、通风口等其他消防设备形成多级安全联动装置，其运行策略见表1。

2.5 电气设计

对于电气设备中可能会产生的高电压、大电流等问题，在高压侧电路安装防雷防浪涌、通信防雷防浪涌设备以及相应的避雷器。在设计时合理的利用原有建筑的防雷接地设施、整体降低高电压、大电流的风险。

在储能系统布置设计时候，需要考虑运维日常巡检方便和突发事故的情况，在移动式储能设备区域出入口应不少于2个。安置于地表上的储能系统周边需预留宽度至少3.5 m的消防车道，安置于地下室的储能系统需预留宽度至少1.5 m的逃生通道，并在周边设有相应的消防设施。

为了保证锂电池储能系统的消防供电稳定性，消防设备所用的电必须单独从市电接过来，且电缆采用耐火电缆，消防报警装置、联动控制等消防设备用电均均由该单独的配电系统供电。

3 结语

随着锂电池技术不断完善，其相应的储能系统也将大规模应用起来，如何确保锂电池储能系统的安全是影响发展的第一等要素。该文结合自身建设经验和行业内相关标准规范，对锂电池储能系统安全方面进行了探讨，共同推进储能行业的安全发展。

参考文献

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