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国网:北京储能电站爆炸事故分析报告

发表于:2021-05-03 22:46:57     来源:电网设备选型

 

 


 

一、工程基本信息

集美大红门25MWh直流光储充一体化电站项目于2018年4月份在丰台区发改委备案,项目开发商为北京某油气技术有限公司,位于北京市丰台区南四环永外大红门西马厂甲14号院内。项目一期包括1.4MWh的屋顶光伏94个车位的单枪150KW大功率直流快速充电桩,以及25MWh的磷酸铁锂电池储能,其中12.5MWh用于外部电动车充电(包括南区4MWh社会车辆+北区8.5MWh大巴运营),12.5MWh用于室内供电。

项目于2019年3月正式投入运营,是北京城市中心最大规模的商业用户侧储能电站、最大规模的社会公共大功率充电站、第一个万度级光储充电站、第一个用户侧新能源直流增量配电网,也是北京市最大的光储充示范项目工程,整体布局情况见图1。

 


 

图1集美大红门25MWh直流光储充一体化电站整体情况

单体电池为3.2V10.5Ah磷酸铁锂方壳电芯,通过225S18P先串后并(225只串联形成组串,18个组串并联)的级联方式形成720V189Ah的电池模块,再将多个模块并联的方式形成电池簇,具体现场情况见图2。

 


 

 


 

图2现场电池情况

 


 

图3现场用单晶硅面光伏板

 


 

图4现场用新能源汽车充电桩

该项目利用集美家居广场天台闲置空间,铺设单晶硅面光伏板,构建光伏发电系统,如图3所示。同时,配置新能源汽车充电桩(见图4),将光伏发电、智能充电桩和储能系统结合,最终形成光储充一体化设施。其中,储能系统在电池簇旁配置了手持式消防器械,可以对早期事故进行应急处置。

 


 

图5室内储能电池簇、电池监控及手持式灭火装置

该光储充一体化项目中包含的储能电站部分,与传统的集中式储能在电气结构上存在较大差异。在传统的电动汽车充电站中,充电桩输入的是交流电,而新能源车的大功率充电使用的是直流电,因此需要配备一圈交流转换直流的设备。项目考虑电池级联输出本身为直流电的特性,去除了相应的“交转直”、“直转交”的变电设备,电池直接串联至750V,经过多机并联,使得每个充电桩都可以达到150kW功率,250A电流,750V电压,相应参数对应国标充电桩输出标准最高值。虽然该设计突破了现有设备的尺寸及性能限制,但也对电池簇间的均流能力及直流开关设备的开断能力提出了更高的要求。

 


 

图6项目整体电气拓扑情况

 


 

图7该光储充项目与传统配网方式的对比

二、现场事故情况

2021年4月16日12时17分,北京市119指挥中心接报丰台区南四环永外大红门西马厂甲14号院内电站起火的警情,调派15个消防站47辆消防车235名指战员到场处置。

14时15分许,在对电站南区进行处置过程中,电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸,导致2名消防员牺牲,1名消防员受伤(伤情稳定),电站内1名员工失联。

 


 

 


 

图8现场航拍情况

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经初步调查了解,事发前该电站正在进行施工调试。

 


 

图9现场处置情况

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4月16日23时40分,明火被彻底扑灭,现场仍在进行冷却降温处理。北京市区相关部门已组织专门力量,做好起火区域及周边监测排查,确保安全。事故原因和财产损失正在调查之中。

三、技术原因分析

根据媒体报道,“电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸”,这符合锂离子电池的安全事故诱发机制,即电池在内外部激源的影响下,超出其安全技术承受能力,电池遭遇极端滥用条件,突发热失控。事故的发生往往由内外部诱因交互作用演化发展,电池储能安全是一个系统性问题,涉及储能电池、电池管理系统、电缆线束、系统电气拓扑结构、预警监控消防系统、运行环境、安全管理等多个方面。究竟是电池本身的安全质量不过关,不能满足电池安全标准滥用条件下的门槛性要求,还是外部激源施加给电池的滥用条件超出了电池行业技术水平,由于目前能够得到的信息有限,不能下定论,目前仅从不同维度分析各类可能的诱发因素对电池储能安全事故的触发机制。

1储能电池安全质量

依据现场情况,储能电站中的锂离子电池发生了燃烧爆炸,并且浓烟滚滚。锂离子电池发生燃烧爆炸的根源在于电池热失控,诱发电池热失控的原因有两类:一种是电池内部原因,比如电池制造过程中引入的电芯内缺陷(细微金属碎屑导致内短路),或者电池在长期使用过程中由于充放电制度和环境因素使电池老化,电芯内部产生了枝晶锂,它的存在触发了电池内短路;另一种是电池外部原因,电池外部的电、热冲击,作用到电池本体上都会使电池内部出现不可逆的放热反应。如果在电池储能系统集成过程中,没有严格按照相关标准对储能电池提出门槛性的安全性能要求,出现电池选型不当,电池的基本安全质量都无法确认和保障,在一般滥用条件下极易发生突发热失控的情况。目前储能锂离子电池的安全性检测依据是2019年1月正式开始实施的GB/T36276《电力储能用锂离子电池》,该标准与以往动力电池等行业标准的特点在于,增加了对电池本身热失控等安全性能的技术要求,该电站的储能电池是否按照储能标准进行检测目前未知,如果没有经过门槛性的安全性能检测,可能存在较大的安全隐患。

2储能系统电气拓扑

从项目电气拓扑上看,该项目是直流配网结构,储能电站中的电池簇通过DC/DC变换系统与大功率直流充电桩、光伏发电系统共用直流母线上,这种拓扑结构与现在普遍使用的储能电站交流配网拓扑存在较大区别。这种拓扑结构主要存在以下安全隐患:

(1)如果电池簇之间存在不一致性,在工作时容易造成环流,当环流过大时会造成某个电池簇的过充或者过放,会加剧电池的老化或者衰退。

(2)如果直流母线上的负载发生短路,短路电流会通过母线传递给电池簇,瞬间的短路大电流会加剧电池内部急剧升温,引发事故。

(3)直流母线的绝缘要求较高,如果存在缺陷可能发生电弧火花,由于直流电流没有过零点,不易熄灭,高温电弧易引发电池、线缆等易燃物的火灾。

(4)直流继保系统的开关关断过程由于没有过零点,关断比交流开关复杂,开关内电弧不易熄灭,开关关断时间较长,同时直流开关成本较高,有个别工程存在用交流开关替代直流开关的现象,交流开关用在直流系统中,当发生过流故障时有可能出现开关无法关断,引发持续大电流,存在安全隐患。

(5)直流配电网络中电力电子设备缺少足够的电气隔离措施,如果直流配电系统中接地工作处理不当,系统运行时电磁环流问题容易引起漏电流,漏电流在电池机柜、线缆等处累积的热量有可能造成局部高温,会引发电池产生火灾从而造成安全隐患。

(6)从现场情况看,南区先发生事故,在处理南区事故时,北区在无征兆情况下发生爆燃,这种情况,有可能是南北区共用直流母线,在南区发生事故时,南区已经短路,但是由于直流保护系统未检测到,未发生动作,造成北区电池瞬间过放,电流增大,引发事故。

3电池管理系统

电池储能系统除电芯外还包含BMS、PCS、变压器以及相关继电保护设备、通信设备等一系列一次、二次设备,这些设备均可能因存在质量缺陷、安装调试过程不规范、设置不合理、绝缘不到位等因素直接或间接引起储能系统发生安全问题。2017年3月7日,山西某火电厂发生锂离子电池储能系统火灾事故,根据山西省消防总队的调查报告,认定储能系统火灾事故原因为系统恢复启动过程中浪涌效应引起的过大电压和电流未得到系统BMS的有效保护。从事故现象看,电池管理系统可能存在采集数据周期较长、阈值设置不合理的现象,未在电池过充、过放或者热失控阶段发生预警,也未及时关断对电池

充放电进行反应,加剧了电池发生失控的风险。

4电缆和线束现场布局

从公开的信息来看,该项目的线缆采用的穿管桥架敷设,与电池柜的安全距离较近,如果线路上发生短路,线缆发生燃烧或者爆炸,极易造成连锁反应,造成电池的着火或者爆炸。

电池模块中的线束也是事故可能发生的根源,所有线束如果未作防火处理,或者采集线束和通信线束为明显区分,易造成线束之间的干扰,造成电池管理系统信息不准,当发生事故时,处理不及时,线束不防火,很容易成为易燃源。

5电站防火设计

锂离子电池在热失控后,一方面会对周围的电池产生强烈的热冲击,另一方面,电池热失控会生成大量烷烃类可燃气体,在外部负载短路形成的外部电冲击、电池热失控后的热冲击等作用下,如果储能系统缺乏有效的防护措施,就可能造成电池事故的扩大。若储能装置布置在室内,当可燃气体达到一定浓度时,遇明火会发生爆炸,更严重的是发生连锁性爆炸事故。

根据媒体描述,该项目有两个变电站,一主一分,并网端应该在低压侧380的母联那短路之后从电缆过去。而这个时间段消防救援已经来了,由于储能电池没有隔离,所以消防队员一进去(13:30左右正是储能放电的时间)就“毫无征兆”的爆炸了。由此推测,该电站的防火设计存在不足,现场的防火设计中未见有防火墙的设计,缺乏隔离吸能设施,没有在储能电池发生爆炸的情况起到有效的防护作用。

6电站配套的监控预警灭火系统及消防用水

依据现场情况,北区突然发生爆炸,根据该现象推测可能是由于南区火灾产生高温,北区储能系统的电池泄压阀打开释放电解液分解产生的可燃气体,在密闭空间形成聚集,容易形成闪爆。现场可能缺乏可燃气体探测装置或者探测装置失灵,没有有效检测出可燃气体,没有做出及时预警,导致发生爆炸。储能站火势蔓延较大,说明现场消防系统未在第一时间控制住火势,现场设置的手持式灭火装置不能发挥作用,不满足锂离子电池储能电站的消防灭火需要。

从事故图片来看,消防指战员使用消防用水去扑灭南区储能系统火灾时,北区突然发生爆炸,由于南区、北区距离较近,消防用水在喷淋南区时可能接触到了北区的储能系统,由于储能系统是高压带电体,水喷淋可能引起带电体及其线路短路诱发火灾或扩大电气事故。

因此,在储能系统火灾前期,有大量储能电池还未受到影响的情况下,采用水作为消防灭火介质,还是需要慎重考虑的。

7气象环境因素

从韩国的储能电站火灾事故调查分析报告中可知,环境因素是导致储能系统火灾的可能诱因。此次事故发生在4月16日下午,而在4月15日北京发布了大风黄色,沙尘蓝色和森林火险橙色预警信号,大风、沙尘的气象环境可能造成储能系统内部灰尘积聚,一方面不利于储能系统的散热,提高储能系统运行温度,另一方面沙尘的存在,对系统的绝缘造成不利影响,而绝缘失效容易造成电气设备电击穿、局部高温,都会诱发储能电池热失控。

8人员现场操作和管理制度

据媒体报告,储能电站事故发生时,现场有工作人员正在对储能系统进行调试。储能系统属于高电压、高能量的带电系统,施工现场、调试运行现场有很多的线路,如果操作失误或者现场处置不当,很容易出现安全问题。从电池本体、集成、工程设计、施工到运行维护等,目前已有相关标准,如果不按照标准进行,存在现场作业不规范操作、监管缺失、操作人员认识不充分等等,都可能导致严重的后果。

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四、后续工作建议

1.加强对在运储能电站的安全运行管理和技术监督制度建设,明确管理职责和责任主体,针对不同类型的储能事故隐患,制定故障应急预案和消防处置措施,保障人员生命安全和财产安全。

2.加强储能技术标准的应用,构建储能建设、运维的质量管控体系,将相关标准要求落实到储能技术监督的各个环节,保障接入电网的储能设备安全可靠。

3.加快建设大容量储能系统故障着火模拟试验平台,开展储能系统火灾演化机制及防控技术研究,构建储能系统火灾危害等级及防护评价体系,验证并改善储能安全系统对不同实际环境的适应性。

4.加强储能安全技术攻关,研究储能系统全寿命周期应用安全技术,研发新型本征安全储能电池,研究储能电站安全集成技术,研究储能系统安全状态在线感知及诊断技术,研究储能电站安全预警、阻燃隔热、消防灭火技术等。采切实有效措施,加快新技术成果的推广应用。

责任编辑:大禹

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