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        北京儲能電站爆炸調查結果公布:8個誘因,沒有定論

        放大字體  縮小字體 發布日期:2021-04-30  來源: 電動汽車觀察家
        4月16日,北京集美家居大紅門儲能電站發生爆炸事故,導致2名消防員犧牲,同時引發了社會對儲能電站安全問題的關注。

        如今,事故已經發生十余天,引發爆炸的原因是什么,依舊牽動業內外人士的心。

        近日,國家電網直屬科研單位,中國電力科學研究院有限公司儲能與電工新技術研究所,發布了對該事故的分析報告,提出了可能引發爆炸的8個誘因,包括儲能電池安全質量、電池管理系統和氣象環境因素等,但由于目前能夠得到的信息有限,未能給出具體原因定論。

        事故回顧:配國軒鐵鋰電池,電站北區突然爆炸

        發生事故的是位于北京豐臺區的集美大紅門25MWh直流光儲充一體化電站項目。

        根據電科院報告,該項目一期包括1.4MWh的屋頂光伏94個車位的單槍150KW大功率直流快速充電樁,以及25MWh的國軒高科磷酸鐵鋰電池儲能,其中12.5MWh 用于外部電動車充電(包括南區 4MWh 社會車輛+北區8.5MWh 大巴運營),12.5MWh 用于室內供電。
        集美大紅門25MWh直流光儲充一體化電站整體情況

        該儲能電站的單體電池為國軒高科3.2V 10.5Ah 磷酸鐵鋰方殼電芯,通過225S18P 先串后并(225只串聯形成組串,18個組串并聯)的級聯方式形成 720V 189Ah 的電池模塊,再將多個模塊并聯的方式形成電池簇。

        現場電池情況

        年4月,該儲能電站在豐臺區發改委備案,2019年3月正式運營,是北京市中心最大規模的商業用戶側儲能電站、最大規模的社會公共大功率充電站、第一個萬度級光儲充電站、第一個用戶側新能源直流增量配電網,也是北京市最大光儲充示范項目工程。

        事故現場航拍情況

        月16日12時17分,北京市119 指揮中心接報該儲能電站起火警情,調派15個消防站47輛消防車235名指戰員到場處置。14時15分許,在對電站南區進行處置過程中,電站北區在毫無征兆的情況下突發爆炸,導致2名消防員犧牲。

        電科院報告稱,經初步調查了解,事發前該電站正在進行施工調試。

        光伏發電+充電樁+儲能系統,安全挑戰更大

        電科院報告指出,發生事故的項目利用集美家居廣場天臺閑置空間,鋪設單晶硅面光伏板,構建光伏發電系統。同時,配置新能源汽車充電樁,將光伏發電、智能充電樁和儲能系統結合,最終形成光儲充一體化設施。

        儲能系統在電池簇旁配置了手持式消防器械,可以對早期事故進行應急處置。

        室內儲能電池簇、電池監控及手持式滅火裝置

        電科院報告強調, 該光儲充一體化項目中包含的儲能電站部分,與傳統的集中式儲能在電氣結構上存在較大差異。傳統電動汽車充電站中,充電樁輸入的是交流電,而新能源車的大功率充電使用直流電,需配備一圈交流轉換直流的設備。

        但是,該項目考慮電池級聯輸出本身為直流電的特性,去除了相應的“交轉直”、“直轉交” 的變電設備,電池直接串聯至 750V,經過多機并聯,使得每個充電樁都可以達到 150kW功率,250A電流和750V電壓,相應參數對應國標充電樁輸出標準最高值。

        現場用新能源汽車充電樁

        這種設計,雖然突破了現有設備的尺寸及性能限制,但對電池簇間的均流能力及直流開關設備的開斷能力提出了更高的要求。

        8個誘因發布,定論尚無

        電科院報告認為,“電站北區在毫無征兆的情況下突發爆炸”,符合鋰離子電池的安全事故誘發機制,即電池在內外部激源的影響下,超出其安全技術承受能力,電池遭遇極端濫用條件,突發熱失控。

        電科院報告指出,電池儲能安全是一個系統性問題,涉及儲能電池、電池管理系統、電纜線束、系統電氣拓撲結構、預警監控消防系統、運行環境、安全管理等多方面。由于目前能夠得到的信息有限,不能對具體事故原因下定論,僅能從不同維度分析各類可能的誘因。

        誘因一:儲能電池安全質量

        鋰離子電池發生燃燒爆炸的根源在于電池熱失控,熱失控的誘因通常有電池內部原因和外部原因兩種。

        內部原因,比如電池制造過程中引入的電芯內缺陷,或者電池在長期使用過程中由于充放電制度和環境因素使電池老化,電芯內部產生了枝晶鋰,它的存在觸發了電池內短路。

        外部原因,如電池外部的電、熱沖擊,作用到電池本體都會使電池內部出現不可逆的放熱反應。如果電池儲能系統集成過程中,沒有嚴格按照相關標準對儲能電池提出門檻性的安全性能要求,出現電池選型不當,電池基本安全質量無法保障,一般濫用條件下極易熱失控。

        該電站的儲能電池是否按照儲能標準進行檢測目前未知,如果沒有經過門檻性的安全性能檢測,可能存在較大的安全隱患。

        誘因二:儲能系統電氣拓撲

        從項目電氣拓撲上看,發生事故的項目是直流配網結構,儲能電站中的電池簇通過DC/DC變換系統與大功率直流充電樁、光伏發電系統共用直流母線上。與普遍使用的儲能電站交流配網拓撲相比,這種拓撲結構有若干安全隱患。

        ○如果電池簇之間存在不一致性,在工作時容易造成環流,當環流過大時會造成某個電池簇的過充或者過放,會加劇電池的老化或者衰退。

        ○如果直流母線上的負載發生短路,短路電流會通過母線傳遞給電池簇,瞬間的短路大電流會加劇電池內部急劇升溫,引發事故。

        ○直流母線的絕緣要求較高,如果存在缺陷可能發生電弧火花,由于直流電流沒有過零點,不易熄滅,高溫電弧易引發電池、線纜等易燃物的火災。

        ○直流繼保系統的開關關斷過程由于沒有過零點,關斷比交流開關復雜,開關內電弧不易熄滅,開關關斷時間較長,同時直流開關成本較高,有個別工程存在用交流開關替代直流開關的現象,交流開關用在直流系統中,當發生過流故障時有可能出現開關無法關斷,引發持續大電流,存在安全隱患。

        ○直流配電網絡中電力電子設備缺少足夠的電氣隔離措施,如果直流配電系統中接地工作處理不當,系統運行時電磁環流問題容易引起漏電流,漏電流在電池機柜、線纜等處累積的熱量有可能造成局部高溫,會引發電池產生火災從而造成安全隱患。

        ○從現場情況看,南區先發生事故,在處理南區事故時,北區在無征兆情況下發生爆燃,有可能是南北區共用直流母線,在南區發生事故時,南區已經短路,但是由于直流保護系統未檢測到,未發生動作,造成北區電池瞬間過放,電流增大,引發事故。

        誘因三:電池管理系統

        除電芯外,電池儲能系統還包含 BMS、PCS、變壓器以及相關繼電保護設備、通信設備等一系列一次、二次設備,這些設備均可能因存在質量缺陷、安裝調試過程不規范、設置不合理、絕緣不到位等因素,直接或間接引起儲能系統發生安全問題。

        從事故現象看,電池管理系統可能存在采集數據周期較長、閾值設置不合理的現象,未在電池過充、過放或者熱失控階段發生預警,也未及時關斷對電池10充放電進行反應,加劇了電池發生失控的風險。

        誘因四:電纜和線束現場布局

        從公開的信息來看,事故項目的線纜采用的穿管橋架敷設,與電池柜的安全距離較近,如果線路上發生短路,線纜發生燃燒或者爆炸,極易造成連鎖反應,造成電池的著火或者爆炸。

        電池模塊中的線束也是事故可能發生的根源,所有線束如果未作防火處理,或者采集線束和通信線束為明顯區分,易造成線束之間的干擾,造成電池管理系統信息不準,當發生事故時,處理不及時,線束不防火,很容易成為易燃源。

        誘因五:電站防火設計

        鋰離子電池在熱失控后,一方面會對周圍的電池產生強烈的熱沖擊,另一方面,會生成大量烷烴類可燃氣體,在外部負載短路形成的外部電沖擊、電池熱失控后的熱沖擊等作用下,如果儲能系統缺乏有效的防護措施,就可能造成電池事故的擴大。

        若儲能裝置布置在室內,當可燃氣體達到一定濃度時,遇明火會發生爆炸,更嚴重的是發生連鎖性爆炸事故。

        根據媒體描述,事故項目有兩個變電站,一主一分,并網端應該在低壓側380的母聯那短路之后從電纜過去。而這個時間段消防救援已經來了,由于儲能電池沒有隔離,所以消防隊員一進去(13:30 左右正是儲能放電的時間)就“毫無征兆”的爆炸了。

        由此推測,該電站的防火設計存在不足,現場的防火設計中未見有防火墻的設計,缺乏隔離吸能設施,沒有在儲能電池發生爆炸的情況起到有效的防護作用。

        誘因六:電站配套的監控預警滅火系統及消防用水

        依據現場情況,北區突然發生爆炸,根據該現象推測可能是由于南區火災產生高溫,北區儲能系統的電池泄壓閥打開釋放電解液分解產生的可燃氣體,在密閉空間形成聚集,容易形成閃爆?,F場可能缺乏可燃氣體探測裝置或者探測裝置失靈,沒有有效檢測出可燃氣體,沒有做出及時預警,導致發生爆炸。

        儲能站火勢蔓延較大,說明現場消防系統未在第一時間控制住火勢,現場設置的手持式滅火裝置不能發揮作用,不滿足鋰離子電池儲能電站的消防滅火需要。

        從事故圖片來看,消防指戰員使用消防用水去撲滅南區儲能系統火災時,北區突然發生爆炸,由于南區、北區距離較近,消防用水在噴淋南區時可能接觸到了北區的儲能系統,由于儲能系統是高壓帶電體,水噴淋可能引起帶電體及其線路短路誘發火災或擴大電氣事故。

        因此,在儲能系統火災前期,有大量儲能電池還未受到影響的情況下,采用水作為消防滅火介質,還是需要慎重考慮的。

        誘因七:氣象環境因素

        此次事故發生在4月16日下午,而在4月15日北京發布了大風黃色,沙塵藍色和森林火險橙色預警信號。

        大風、沙塵的氣象環境可能造成儲能系統內部灰塵積聚,一方面不利于儲能系統的散熱,提高儲能系統運行溫度,另一方面沙塵的存在,對系統的絕緣造成不利影響,而絕緣失效容易造成電氣設備電擊穿、局部高溫,都會誘發儲能電池熱失控。

        誘因八:人員現場操作和管理制度

        據媒體報告,儲能電站事故發生時,現場有工作人員正在對儲能系統進行調試。儲能系統屬于高電壓、高能量的帶電系統,施工現場、調試運行現場有很多的線路,如果操作失誤或者現場處置不當,很容易出現安全問題。

        從電池本體、集成、工程設計、施工到運行維護等,目前已有相關標準,如果不按照標準進行,存在現場作業不規范操作、監管缺失、操作人員認識不充分等等,都可能導致嚴重后果。

        電科院報告雖然沒能給出事故具體原因的定論,但提出的8個誘因,再次敲響了儲能電站安全防護的警鐘。大紅門儲能電站爆炸事故后,北京市開展了對所有用戶側儲能電站的安全隱患排查。
         
        關于我們:中國化學與物理電源行業協會(China Industrial Association of Power Sources,縮寫:CIAPS) 是由電池行業企(事)業單位自愿組成的全國性、行業性、非營利性的社會組織。協會成立于1989年12月,現有530多家會員單位,下設堿性蓄電池與新型化學電源分會、酸性蓄電池分會、鋰電池分會、太陽能光伏分會、干電池工作委員會、電源配件分會、移動電源分會、儲能應用分會、動力電池應用分會和電池隔膜分會等十個分支機構。
        本會專業范圍包括:鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋅錳堿錳電池、鋰一次電池、鋰離子電池、太陽電池、燃料電池、鋅銀電池、熱電池、超級電容器、溫差發電器及其他各種新型電池、電池系統解決方案,以及各類電池用原材料、零配件、生產設備、測試儀器和電池管理系統等。

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