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1、25MWh直流光储充一体化电站“4住6”火灾事故分析一、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
2、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
3、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
4、 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现场航拍情况经初步调查了解，事发前该电站正在进行施工调试。
5、图 9现场处置情况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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、 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
11、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
12、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，
13、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
14、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，
15、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。四、后续工作建议1.加强对在运储
16、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。
