大规模锂离子储能电站火灾事件的回顾与思考

　　背景

　　能源危机使锂离子电池储能系统在过去几年得到了更加广泛的使用，但也出现了一些危险事故造成设施和环境的损坏，经济损失、甚至人员伤亡。调查发现即使储能系统已符合电池系统相关的标准，如UL 9540和UL 9540A，但还是发生了热失控以及火灾。因此，从以往的案例中吸取经验教训，分析风险及其对策，将有利于储能系统技术的后续发展。

　　案例回顾

　　以下总结了2019至今全球各地大型储能系统的事故案例，这些案例都有公开的报告。

　　以上事故发生的原因可以总结为以下两个：

　　1)内部电芯失效，引发电池与模组的热失控，最后引起整个储能系统的着火或爆炸

　　电芯热失控引发的故障呈现的现象基本上是先起火再爆炸：如，2019年发生在美国亚利桑那州的McMicken电站和2021年中国北京丰台电站事故均是在起火后发生爆炸;这种现象产生的原因是单个电芯失效，引发内部化学反应，释放热量(放热反应)，温度持续上升，且传播到附近的电池和模组，引发火灾甚至爆炸。电芯的失效模式一般由过充或控制系统故障、热暴露、外部短路和内部短路(可由各种情况引起，如压痕或凹痕、材料杂质、外部物体渗透等)引起。

　　电芯热失控之后会产生可燃气体。可以看到前三起案例发生爆炸的原因都是可燃气体不能及时排出而引发的。此时电池与模组，集装箱的通风系统则显得格外重要。一般电池是通过排气阀排出气体，排气阀的压力调节可以减少可燃气体的堆积。模组阶段一般会使用外部风扇或外壳自身散热设计来避免可燃气体聚集。最后在集装箱层面，也需要有通风设施及监测系统来疏散可燃气体。

　　2)外部辅助系统故障引发的储能系统故障

　　由辅助系统故障而引发的整个储能系统故障一般发生在电池系统的外部，可能会发生外部元器件的燃烧或冒烟，当系统及时监测与响应后，不会对电池系统的电芯产生失效或热失控的影响。在2021年Vistra Moss Landing1期和2022年的2期事故中，由于当时在调试阶段，故障监控和电气故障安全装置被关闭，无法及时响应，才产生了冒烟与火灾。这种火焰燃烧通常从电池系统外部开始，最后才会蔓延到电芯内部，所以不会发生剧烈的放热反应与可燃气体聚集的情况，通常不会发生爆炸。且如果此时喷淋系统能及时开启，也不会造成大面积的设施损坏。

　　而2021年在澳大利亚吉朗发生的“Victorian电站”火灾是由于冷却剂泄漏引起的电池短路，造成起火。此时电池系统的物理隔离也是值得我们注意的地方。外部设施最好与电池系统保持一定的独立空间，避免相互干扰。电池系统最好自身也保持一定的绝缘功能，避免外部短路。

　　应对方案

　　从以上分析可知，发生储能系统事故的原因为电芯的热失控及辅助系统的故障，如果不能防止故障发生，那么减少阻断故障发生后的进一步恶化，则也能减少损失。这些措施可以从以下几个方面的考虑：

　　1、阻断电芯热失控后的热蔓延

　　Ø在电芯之间增加隔绝屏障，在电芯之间增加隔绝屏障阻断电芯热失控后的蔓延，隔绝屏障可以安装在电芯与电芯之间，模组之间，机架之间，这在NFPA 855(固定式储能系统安装标准)的附录部分也有提到相应要求。隔绝屏障的具体措施包括电芯之间插入冷水板，气凝胶等。

　　Ø在电池系统中增加灭火装置，当单个电芯发生热失控后可以迅速反应启动灭火装置。锂离子火灾隐患背后的化学反应导致了储能系统灭火设计与常规消防方案不同，不仅要扑灭大火，还要降低电池的温度。否则，电芯的放热化学反应将继续发生，并引发重燃。

　　在选取灭火材料的时候也需格外注意。如将水直接喷洒在燃烧的电池外壳上可能会产生可燃气体混合物。且如果电池外壳或机架为钢材料，水并不能阻止热失控。一些案例表明水或其他类型的液体接触到电池端子也可能加剧火势。如2021年9月发生Vistra Moss Landing电站火灾事件，报告表明电站冷却软管和管道接头出现故障，导致水喷洒在电池架上，最终造成电池短路与电弧。

　　2、可燃气体及时排放

　　上述的所有案例报告都指出，聚集的可燃气体是爆炸的主要原因。因此，场地设计与布局，气体监测和通风系统，对于降低这种风险非常有效。NFPA 855标准已经要求要有连续气体检测系统的这一要求，当检测到一定水平的可燃气体(即LFL的25%)时，该系统会启动排气通风。另外UL 9540A试验中也有收集排气，检测气体LFL下限的要求。

　　除通风外，还建议使用泄爆板。在NFPA 855中提到，储能系统安装和维护要按照NFPA 68(爆燃通风防爆标准)和NFPA 69(防爆系统标准)进行。但当系统符合防火和爆炸测试(UL 9540A或同等标准)时，则可以豁免此项要求。但测试的条件并不能完全代表真实情况，因此建议加强通风和防爆。

　　3、辅助系统的故障预防

　　在Victorian电站和Vistra Moss Landing电站事故中，不完善的软件/固件编程和调试/启动前程序也是引起火灾的原因之一。在Victorian电站火灾中，其中一个模组引发的热失控没有被识别或阻断，热失控之后的火灾也没有被中断。因为当时不需要调试，所以系统被手动关闭，包括禁用遥测系统，故障监控和电气故障安全装置;监控和数据采集(SCADA)也系统尚未运行，因为需要24小时才能建立设备连接。

　　因此，建议任何闲置的模组都应有主动遥测、故障监控和电气安全装置，而不是通过锁开开关手动关闭。所有电气安全保护装置都应保持在主动模式。此外，还应增加额外的警报系统来识别和响应各种紧急事件。

　　在Vistra Moss Landing1期和2期电站中也发现了一个软件编程错误。尽管没有超过启动阈值，但电池的散热系统被激活。同时水管接头故障与电池单元上层泄露，进水使电池模组短路。这两个例子显示了软件/固件编程在启动程序之前的检查和调试是多么重要。

　　总结

　　通过对几起储能电站火灾事故的分析，应高度重视通风和防爆控制，合适的安装和调试程序，包括软件编程检查，这些都可以避免电池事故。此外，应制定全面的应急响应计划的，以应对有毒气体和物质的产生。