一起储能电站火灾事故的分析与研究

郭子清

（武威市消防救援支队，甘肃 武威 733000）

2023 年4 月22 日17 时56 分，武威市消防救援支队119 指挥中心接到报警称，位于民勤县某储能电站发生火灾，造成1 座储能电池舱烧损，过火面积约30m2，直接经济损失约410 万元，无人员伤亡。

1 储能电站基本情况

该储能电站设有4 座集装箱式储能电池舱及储能升压一体舱，由北向南依次布置，分别编号为1～4 号。每座储能电池舱长13.7m、宽2.43m、高2.95m，南、北两侧共设有16 个箱门，每个箱门对应一簇电池组，其中北侧由东向西设有1～7 簇电池组，南侧由东向西设有8～14 簇电池组；中间部位设有电气舱，电气舱内北侧为气体灭火系统、南侧为电脑主机装置（见图1）。每簇电池组内装配有25 个电池模块（见图2），每个电池模块又包括16 个磷酸铁锂电池芯，该磷酸铁锂电池芯型号为BQ280-16S、容量280AH、额定电压3.2V、满电电压3.65V，上述每簇电池组内25 个电池模块之间、每个电池模块16个电池芯之间均为串联，簇与簇之间为并联。此次起火舱室为1 号储能电池舱。

图1 1 号储能电池舱平面布置图

图2 簇内电池模块装配示意图

2 起火部位认定

通过现场勘验发现以下燃烧痕迹特征：①电池舱顶部中间区域变色最重、向东西两侧逐渐变轻（见图3）；②北侧中间部位电气舱门及3、4 簇电池组对应箱门变形变色最重且向外弯曲，内部空调机烧损变色严重，其余箱门外表面仅有轻微过火痕迹，内部簇门密封胶条局部脱落、空调机烧损变色较轻；③南侧中间电气舱门外表面形成1 个V 字型痕迹，V 型痕迹底部位于舱门中间部位，对应两侧11、12 簇电池组箱门变形变色较重，其余箱门仅有轻微过火痕迹；④北侧中间部位气体灭火系统未动作，气体容器瓶靠近4 簇电池组一侧鼓胀，4 簇电池组呈现鼓胀挤压变形，接线全部烧损脱落，上述接线绝缘层全部过火烧损、部分多股线芯熔断，该侧其余簇电池组接线仅有部分脱落、且部分电池组外壳击穿呈不规则孔洞；⑤南侧11、12 簇电池组接线局部烧损脱落、部分仍残留连接，该侧其余簇电池组接线基本完好。通过询问第一报警人孔某宇、当事人关某得知，最先发现北侧4簇电池组箱门冒烟并伴有“嘭”的爆炸声，由此确定起火部位为北侧第4 簇电池组。

图3 1 号储能电池舱顶部变色

3 起火点认定

对4 簇电池组进行勘验发现：①内部电池模块表面均过火变色，电池模块之间接线绝缘层全部烧损裸露、部分多股线芯熔断；②3、11、12、21 号电池模块接线线头呈现熔化痕迹；③除12 号电池模块为挤压变形外，其余电池模块均为鼓胀变形（见图4），朝向12 号电池模块一侧烧损变形严重、其余部位变形较轻；④对监控中心后台数据提取分析，起火当日17 时12 分时，1 号电池舱BMS 系统出现过压一级警告，该电池舱第4 簇第12模块电池电压剧烈下降，温度明显上升；其后，1 号电池舱内14 个簇各模块整体出现温升现象，BMS 系统出现过压二级警告；17 时25 分，1 号电池舱第4 簇第12 模块电压为0；17 时26 分，第4 簇第12 模块两次电芯采集信息，第一次探测电芯温度为13455，第二次显示为0；17 时30 分，1 号电池舱BMS 数据抓取失败，电压、电流、温度数据全部报错。由此确定，起火点为第4 簇电池组第12 模块。

图4 12 号电池模块热失控烧损痕迹

4 起火时间认定

根据第一报警人孔某宇反映，2023 年4 月22 日15时许对1、3、4 号储能电池舱进行满充实验，17 时30 分许其在测试车内听到“嘭”的爆炸声，17 时51 分切断充电回路后才拨打报警电话。调取119 报警记录，4 月22日17 时56 分119 指挥中心接到孔某宇电话报警。对储能电站监控中心后台数据提取分析，4 月22 日17 时12 分，1 号电池舱BMS 系统出现过压一级警告；17 时12 分至14分，1 号电池舱14 簇电池组整体出现温升；17 时15 分，1 号电池舱BMS 系统出现过压二级警告；17 时22 分，充电电流显示为*；17 时29 分，1 号电池舱电池模块电压下降至1.19V；17 时30 分，1 号电池舱电压、电流、温度数据全部报错。综合认定起火时间为2023 年4 月22日17 时30 分左右。

5 起火原因认定

5.1 排除遗留火种及外来火源

经调查询问，当日现场测试人员共3 人，分别为王某楠（电路测试工程师）、关某（电路测试工程师）、孔某宇（升压舱厂家技术人员），上述3 人在调试设备期间均无吸烟行为，且电池舱内线路绝缘层属于自熄性材料、无法被烟头等弱火源引燃。该储能电站位于某荒滩区域，周围无高大烟囱及切割电焊动火作业，调取气象资料发现起火当日无大风及雷电天气。由此可排除遗留火种及外来火源引发火灾。

5.2 排除供电回路过电压

对1 号电池舱对应的升压一体舱进行勘验发现，舱内PCS 变流器、变压器及接线控制板均无打火痕迹；调取当日该地区330KV 变电站输出电压、电流数据发现，暂态过电压智能检测平台“过压记录”“报警记录”“实时记录”和“召测记录”数据正常，无异常波动。由此可排除供电回路过电压故障。

5.3 确定为磷酸铁锂电池热失控引发火灾

据第一报警人孔某宇反映，发生火灾前听到“嘭”的爆炸声，其后看到起火部位处冒出白色烟气并伴有刺激性气味，5min 后开始冒出黑烟，证明电池组内部发生电气故障，电解液发生化学反应产生白色气体，此后电池组内部发生大规模短路、温度急剧升高，引发明火并引燃线路绝缘层及其他可燃物，产生黑色烟气，该过程符合锂电池热失控特征。通过现场勘验发现，第4 簇第12 模块电池呈现挤压变形、其余电池均为鼓胀变形特征，证明该模块电池最先发生故障后电解液分解放热并产生气体鼓胀，电池内分解气体喷放同时，周围相邻电池受外热相继发生热失控产生鼓胀对最先鼓胀电池挤压并导致变形，符合锂电池热失控故障外观特征。对储能电站监控中心后台数据分析发现，1 号电池舱第4 簇第12 模块电池电压、温度变化后，BMS 系统出现过压一级警告，此后电池模块均出现温度升高；第4 簇第12 模块电压变为0 后，其他电池模块电压下降直至电压、电流、温度数据全部报错，符合该模块电池最先热失控后造成其他电池相继受热短路引发火灾的逻辑顺序。据此，综合认定起火原因为第4 簇第12 模块磷酸铁锂电池热失控引发火灾。

6 几点体会

（1）高度重视调查询问。储能电站作为当前消防安全监管的新兴业态领域，其火灾具有一定特殊性，在调查询问过程中需对起火时的情况作全面了解，包括火灾发现情况、蔓延情况、设备运行情况、火灾前人员操作情况及其他用火用电情况，尤其对起火时电池的充电状态、起火现象（包括气体颜色、泄放声音、电池喷射火、爆燃等）、电池放置环境、电池使用历史、设备异常情况及相关数据的有效掌握，对锂电池原理、结构、生产工艺、起火条件的熟悉了解决定了火灾调查的成败。

（2）正确理解现场痕迹特征。锂电池火灾现场痕迹不能盲目根据一般火灾痕迹特征判断起火部位、起火点，一定要根据锂电池热失控机理进行分析判断，一般来说，电池系统内某一单体电池发生热失控起火后对周围电池形成热滥用诱因，可导致周围电池隔膜熔化损坏、形成新的热失控依次传导。所以，最先发生故障的电池由于从内部起火，其烧损痕迹没有明显的方向性，从外部观察，最先出现故障的电池往往不是烧损最为严重的；周围因热滥用引发热失控电池迎火面一侧发生隔膜熔化、壳体撕裂、破坏严重，其余部位则烧损变形相对较轻，具有明显的方向性。

（3）创新现场勘验技术手段。锂离子电池由涂覆在铝箔集流器上的正极材料、涂覆在铜箔集流器上的负极材料、多孔高分子材料隔膜、易燃液体的电解液、金属制或者铝塑壳体以及一些安全保护装置组成。火灾后锂离子电池残留物中正极材料、负极材料、隔膜均完全炭化，无法区分，一般情况下，铝制集流器会因火灾高温熔化或烧失，铜制集流器则会保留下来。因此，当确定了最先发生故障的锂离子电池时，可使用X 射线成像法、CT 三维成像法、电池拆解法等方法对故障电池内部痕迹进行分析。通常X 射线影像分析、CT 三维成像分析及电池拆解分析确定的故障点应当相互印证。X 射线影像分析得到一个比较粗略的方向，在此基础上CT 三维成像分析可确定大概的故障点，经过电池拆解分析，发现集流器上存在局部缺损痕迹，三者互相印证，可确定该缺失位置即为电池最初故障点。

（4）科学判断锂电池热失控诱因。锂离子电池热失控是指由各种诱因引发锂离子电池内部局部或整体温度急速上升，热量无法及时释放，大量聚集在内部诱发链式反应，导致电池高压冒烟、起火的现象。目前，常见的热失控诱因主要包括机械外力、高温原因、电气原因、内短路等，而电气原因又包括过充电、外部短路、过放电等具体原因，锂离子电池在热失控时由于内部发生短路、不能输出电流，在利用电池监控系统进行数据分析时需要注意，最先输出电压电流为0 的电池即为最初发生热失控的电池。本案中，起火电池模块设计充电时间为2h，在满充测试过程中实际充电时间达3h，由于过充电导致锂离子电池正、负极性质发生变化，正、负极上的放热反应和锂枝晶引发的内短路共同引发电池热失控。