一起箱式储能电站火灾事故的调查与体会

翟小鹏

摘要：电力安全是国家能源安全的重要组成，储能是保证电力安全、低碳、高效供给的重要技术。储能电站近年来飞速发展，其中锂电池储能系统具有重量轻、能量密度高、循环寿命长等优势而被广泛使用，但是其火灾危险性也逐渐显现，引起了社会强烈关注。文章针对一起储能电站火灾事故调查分析，对其安全管理提出了一些建议。

关键词：储能电站;储能锂电池;火灾事故;调查工作

1  火灾基本情况

2021年5月10日5时53分，高邮市经济技术开发区电池产业园某企业生产的箱式储能电站在试运行期间发生火灾，火灾过火面积约20m2，直接财产损失14万元，无人员伤亡。

2  箱式储能电站的基本情况

该箱式储能电站在用电低谷时向电池组充电储能，在用电高峰时电池组放电回馈电网，对电网起到局部错峰调谷均衡用电负荷的作用;电站由锂离子电池组、能量转换装置（PCS）、电池管理系统（BMS）、能量管理云平台（EMS）和储能集装箱组成;箱内设有气体灭火系统、火灾自动报警系统、灭火器等消防设施。

3  火灾事故调查情况

火灾发生后，消防救援部门与企业技术人员共同进行了现场勘验和原因分析。

该箱锂电池储能电站于2021年4月6日开始运行测试，5月10日当天气温19℃～33℃，天气多云。箱体位于停车场一角，过火范围在箱内，对周边建构筑物无影响，储能站外部设有一根电缆与电网连接。

3.1  现场勘验

3.1.1  箱体勘验

箱体分为两个区域，一侧为储能电池区，一侧为能量转换区，中间有铁质门分隔。铁质箱体外观过火变色，其中能量转换区过火变色较重、漆面火烧发黑，储能电池区外观基本完好、漆面局部有轻微变色，排风口有烟熏痕迹。箱体内部均过火变色、漆面火烧发黑，其中能量转换区过火变形扭曲、部分顶面坍塌，储能电池区过火变形扭曲。

3.1.2  能量转换区勘验

能量转换区主要有两个柜体，分別是储能变流器和控制装置（PCS），均过火烧毁。电网输入端口处接头脱落粘连在面板上，铁质面板因短路被大面积烧穿，柜门也有两处短路烧穿形成小洞口。

打开储能变流器背面面板，内部线路的绝缘橡胶层均过火脱落、线路裸露，并发生了较为严重的过载现象：电网接线处一条铜排线熔断部分缺失，熔化的铜导线滴落在下方陶瓷片上;变压器接线处的导线熔断，熔断的导线掉落在下方的铁板上，铁板有短路烧穿痕迹;PCS与储能区连接的电缆线有部分残留，绝缘层完好，透过透明绝缘层可看到内部铜导线。

3.1.3  储能电池区勘验

储能电池区有两簇锂电池模组，每簇锂电池模组有27个电池模块，每个电池模块有144颗锂电池，每18颗锂电池连接为一个电池组。储能区中间为过道，内有七氟丙烷气体灭火系统储罐残留、火灾自动报警残留和汇流柜（BMS）残留。

簇1电池模组均过火，连接模块的导线均脱落，铁质机箱过火变色，电池泄压口全部脱落。

其中，模块10、11、13、14机箱内电池挤压拱起，模块10、11、26、27机箱外侧有短路烧穿痕迹。

模块10机箱接线处和底部有大面积短路烧穿、机箱扭曲变形向外凸起，内部电池发生鼓胀，中间位置的电池挤压拱起，电池移位，电池铝制外包装熔化烧毁，内部电芯裸露，且接线口处的电池电芯炸出扭曲变形;模块11机箱顶部、接线处和底部有明显短路烧穿，电池鼓胀挤压变形，电池未移位，中间位置电池轻微拱起。模块13机箱完好，电池鼓胀挤压变形，电池未移位，中间位置的电池挤压拱起。模块14机箱完好，电池鼓胀挤压变形，电池未移位，中间位置的电池挤压轻微拱起。模块27机箱底部有短路烧穿孔洞、电池鼓胀但未挤压变形;模块26机箱接线口处有短路烧穿痕迹、电池鼓胀但未挤压变形。其他模块电池发生鼓胀、但未发生明显挤压变形。

簇2电池模组均过火，连接模块的导线均脱落，铁质机箱过火变色。其中，模块7机箱底部接线口处有短路烧穿，内部电池中间位置发生鼓胀并挤压拱起，电池未移位;模块8机箱底部有短路烧穿痕迹，内部电池中间位置发生鼓胀并挤压轻微拱起，电池未移位;模块9机箱底部、接线口处有短路烧穿痕迹，内部电池中间位置发生鼓胀并挤压轻微拱起，电池未移位。其他模块电池发生鼓胀、但未发生明显挤压变形。

气体灭火系统储罐过火漆面碳化，压力表停留在中间位置，仍有弹性，内部气体完好。火灾自动报警系统烧毁，墙上有机箱残留;监控摄像头烧毁掉落在地面。

3.1.4  对簇1模块10进行专项勘验

模块10的电池组编号为73#～80#，每18颗锂电池为一组，发生挤压变形的为73#电池组1颗锂电池和80#电池组4颗锂电池，电池电池电芯熔化缺失，两组电池之间形成了明显的碳化坑。

将73#和80#的最外侧一排电池取出复原并编号进行勘验，73#电池组A电池铝质外壳部分熔化（铝的熔点660.32℃），电池电芯裸露，外侧电芯底部有少量缺失，电芯层未松动。80#电池组B电池铝制外壳熔化缺失，电池内的两块电芯，一块完全烧毁缺失，一块底部大部分缺失，只有上部少量残留，电芯层松动，剥开一层电芯，电芯正极铜箔（铜的熔点1084.62℃）在缺口处有树枝状的痕迹;电芯的负极铝箔已经烧毁，正负极中间的隔膜全部碳化。C电池铝质外壳熔化缺失，电芯裸露底部有少量缺失，电芯层未松动。D电池铝质外壳部分熔化缺失，电芯裸露底部有少量缺失，电芯层未松动。E电池铝质外壳部分熔化缺失，电芯裸露基本完好，电芯层未松动。其他电池铝制外壳完好，电芯未裸露。簇1的11、13、14号模块和簇2的7、8、9号模块电池铝制外壳部分熔化缺失、电芯部分裸露但基本完好无缺失。

3.1.5  铜箔边缘比对

为了分析电芯正极铜箔缺口处树枝状痕迹的成因，分别用氩弧切割（6000～8000℃）、煤气氧气切割（1800～2000℃）对铜箔进行了切割痕迹比对。

煤气氧气切割，铜箔边缘平滑，无树枝状残留，铜箔火烧发黑;氩弧切割，铜箔边缘粗糙，有棱角状残留，铜箔颜色加深;火场中的铜箔边缘清晰，表面光亮，銅箔形成树枝状特征，分析认为这种树枝状的铜箔残留是锂电池电芯短路产生的。

3.2  能量管理云平台（EMS）查阅

该储能站每日0时至8时通过电网向电池组充电，8时至12时及17时至24时储能站向电网放电。5时24分01秒，EMS监管平台实时监测显示储能变流器变位，PCS停止充电，此时无电力输入，但随即监测到PCS故障信号、PCS关机，首次PCS直流欠压告警，首次PCS直流过压告警，并持续到5时24分13秒PCS直流过压告警解除。5时44分54秒EMS离线。

BMS电池管理系统可以独立实时记录电池运行状态，由于数据量大主要存储在自带硬盘中，但硬盘在火灾中完全烧毁。BMS每五分钟向EMS反馈一次电池运行状态信号，EMS于5月10日5时25分接受到电池剩余电量已经充满信号。

EMS接受到事故发生时两个电池簇的数据，其中簇1模块11第84号电池组在5时35分温度达到108℃，随后温度不断升高在5时40分达到65495℃，温度传感器已经失效。簇1模块10第77号电池组在5时35分电压3.17V后发生突变于5时40分达到65.535V。簇2电池模组数据正常。

储能站内的视频监控、火灾自动报警系统均在火灾中烧毁无法调阅监管数据。

3.3  事故原因

3.3.1  起火部位认定

排除能量转换区。首先发现火灾的门卫在5时40分左右首先听到箱体内发生爆炸，随后看到能量转换区通风板有浓烟和火苗冒出，便通知厂内员工首先断开输入电源，然后打开了能量转换区的门进行灭火，储能区的高温高压可燃蒸汽穿过能量转换区冲出门外，导致能量转换区火势猛烈、变色重。

排除簇2电池模组。簇2电池模组监测锂电池运行各项数值正常，机箱短路烧穿缺失较轻，锂电池电芯无缺失，可排除起火部位。

排除簇1模块10第77号电池组，虽然监测显示77号电池电压达到65.5V，远超最高正常电压3.65V，但现场勘验发现77号电池组电池除发生鼓胀外，铝制外壳均完好未熔化缺失、电芯无裸露，说明77号电池组只是瞬间接受到65.5V的最高电压，其他电池也过压但不是最高值所以没有显示。

排除簇1模块11第84号电池组，虽然监测显示84号电池组达到65495℃，说明温度传感器已经失效，现场勘验发现84号电池组电池除发生鼓胀外，铝制外壳均完好未熔化缺失、电芯无裸露，说明80号电池组起火后瞬间温度比其他电池最先达到最高值，但并不是最先起火的电池。

综上所述，认定起火部位位于簇1模块10，起火点位于模块10第80号电池组B号电池处，火势呈现从B号电池向周边蔓延扩大态势。

3.3.2  火灾直接原因分析

火灾直接原因系储能区簇1模块10第80号锂电池组B号电池充满电后电芯发生短路，电池壳体膨胀爆炸起火，引起周边锂电池高温膨胀挤压变形，带电的电池拱起后接触到铁质机箱发生短路，导致储能区其他锂电池直流过压发生连锁爆燃引发火灾。

4  锂电池储能电站火灾事故防范与处置的几点体会

4.1  正确认识锂电池储能电站的火灾爆炸危险性

该案中的单个集装箱儲能站功率达到572kWh，电池模块54个，每个模块有144颗锂电池，随着技术进步锂电池能量密度还在不断提升，每只储能集装箱都已成为能量的聚集地。此外，锂电池电解液主要是由高挥发性、易燃性的有机溶剂组成的，如碳酸二甲酯（DMC），碳酸二乙酯（DEC），碳酸甲乙酯（EMC）等，所以每只集装箱也是甲类危化品的聚集地。虽然箱式储能电站比一般发电站的建设规模小很多，却是能量和危化品的结合体，火灾爆炸的风险较高，具有甲类火灾危险性生产厂房的特性。消防救援部门处置锂电储能电站事故应当按照处置有限空间内正在发生反应的危化品事故类型来处置，而不能按照普通变配电站或带电设备事故类型处置。

4.2  提高储能电池的本质安全度

锂离子电池安全问题主要与电解液易燃易爆特性有关。科研机构已经研究出向电解液添加阻燃剂能有效抑制电解液燃烧，是提高锂电池安全性最直接有效的方法，说明实现锂电池本质安全是可以做到的，只是生产成本增加，尚不能实现市场化应用。电力安全是国家能源安全的重要组成，储能是保证电力安全、低碳、高效供给的重要技术。当前，需要加强科研攻关，寻找新的高效廉价的阻燃剂，使电解液具有阻燃性甚至完全不燃，对储能行业的安全发展意义重大。

4.3  使用绝缘材料或者阻燃材料

该事故发生时，锂电池均是剩余电量达到98%带电体，储能变流器已经停止充电，理论上储能区电路上是没有电流的，但是电池发生故障后系统仍然监测到直流过压，是因为锂电池变形后接触到铁质机箱发生短路、导致更多的锂电池直流过压发生连锁反应。因此，储能区应当使用绝缘材料搭载电池，避免模块铁质机箱带电发生连锁反应，导致更大事故的发生。

4.4  集装箱设置爆炸泄压口

锂电池起火后，在高温的影响下外壳破裂电解液泄漏，很快形成爆炸性混合气体，在密闭的集装箱或者建筑内积聚后极易发生爆炸。该事故中，门卫发现起火后打开了舱室门使用灭火器灭火，箱内压力得到释放发生爆燃并未发生爆炸，但回放现场救援视频仍能看出爆燃能量巨大、火势强劲。因此，集装箱式的锂电池储能电站在箱体上应当设施泄压窗口，并且与能量管理云平台（EMS）联动，一旦发现有锂电池超温、超压，窗口能够自动脱落，避免电解液蒸汽箱内积聚;同时，一旦发生爆炸，窗口可以作为排泄压力或者能量的通道，避免压力升高导致整个箱体发生破坏，危及现场处置人员安全;泄压口处应当设置明显警示标志，提醒现场处置人员躲避。

4.5  提高软件运行的可靠性

该起事故中，直流过压和欠压都说明锂电池出现了故障，特别是系统于5时24分01秒监测直流欠压后，又发生直流过压状态持续至5时24分13秒，然而EMS、BMS只起到了监测运行状态的作用，在已经监测发现故障后，并没有能够采取控制措施阻止事故的发生，储能电站管理系统安全运行存在严重缺陷。建议能量管理云平台EMS应当对能量转换区和储能电池区运行状态全时段实时监测，一旦储能变流器输出电压异常或者电池单体的电压、温度、剩余电量等超出设定值，应当立即切断交流电网和储能区域的电力;同时，EMS应当启动应急联动，发出告警信息至相关人员、快速定位故障模块、打开泄压口和排风机防止爆炸性混合气体积聚等应急操作，阻止事故的蔓延扩大。

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Investigation and experience of a container-type energy storage plant fire accident

Zhai Xiaopeng

Guangling District Fire and Rescue Section of Yangzhou Municipal

Abstract：Electricity security is an important component of national energy security， and energy storage is an important technology to ensure safe， low-carbon and efficient supply of electricity. Energy storage power plants have developed rapidly in recent years， among which lithium battery energy storage systems are widely used with the advantages of light weight， high energy density and long cycle life， but their fire hazards have also gradually emerged and have aroused strong social concern. This paper investigates and analyzes a fire accident in an energy storage power plant and puts forward some suggestions for its safety management.

Keywords：energy storage power plant;lithium energy storage battery;fire accident;investigation work