集装箱式电池储能系统安全风险分析

一、概念

集装箱式电池储能系统是以磷酸铁锂电池为能量载体，通过PCS（储能变流器）进行充放电，实现与电力系统的多种能量交换，并可接入多种供电模式，如光伏阵列、风能、柴油发电机与电网等储能系统。

集装箱式电池储能系统包含锂电池组、电池管理系统、能量转换系统、控制系统等设备。其中技术核心是电池组、电池簇结构设计、电池系统热设计、电池系统的保护技术、电池管理系统等。储能系统由电池系统和能量转换系统组成，电池系统含有先进的磷酸铁锂电池模块、电池管理系统和作为直流短路保护和电路隔离熔断开关，所有的设备集中安装在集装箱内。

集装箱式电池储能系统是以40尺标准集装箱为载体，

内置两台250kW储能能量转换系统，将1MWh锂电池系统、电池管理系统、储能监控系统、空调系统、消防系统、配电系统集中装在一个特制的箱体内，以实现高集成度、大容量、可移动的储能设备，具有隔热、恒温、消防阻燃、防风沙等特点，满足各种环境使用。

如图1所示：黑色部分为电池室中有6个电池簇并联，灰色部分为能转换系统、空调系统和控制系统，紫色部分为风道。

图1集装箱电池系统结构图

图2集装箱电池系统内部图

二、优势

集装箱式电池储能系统有可移动、灵活性强、可扩充、可拆卸等功能，不论从商业角度还是在技术角度都具有一定的实用价值，此外，在军事领域和环境适应性方面都具有优势。其主要特点有以下几面：

1.模块化设计：国际标准化组织是标准的尺寸，允许远洋运输和公路运输方便。它们可以悬挂在高架起重机上，船上，卡车和临时用地。

2.坚固耐用的设计：国际标准化组织在运输过程中保护货物，并将在能源储存系统的生命期内提供良好的保护，免受天气、运输及其他环境的侵害。

3.可移动性设计：综合比较其他储能电池，锂电池储能技术的优势在于质量与体积，可移动性强，不受地域。

4.灵活的基础设计：集装箱是很容易适用任何所需的选择。这包括空调，光伏，风机，通道门，电力电缆接入和其他等设备的接入。

三、安全风险分析

当前，我国新型储能装机规模飙升，磷酸铁锂离子电池成为电化学储能重要的装机容量，同时，预制舱式以其高度的集成化及便捷的安装方式又成为磷酸铁锂离子电池储能电站的重要产品形式。以下对储能系统特有的危险因素进行分析：

1.火灾

锂离子电池目前采用的电解液有机溶剂大多属于易燃

、CO为主的可或可燃液体（磷酸铁锂电池在热失控后析出H

2

燃气体），锂离子电池在过充过放、过热、机械碰撞等内外部因素的用途下，容易引起电池隔膜崩溃、内部短路，从而导致热失控的发生，有发生火灾爆炸的危险，这是锂离子电池发生安全问题的本质原因。电池因过压或过流导设备温度过高，形成引燃源，电池电解液温度上升，换热系统故障导到设备高温运行，如通风道堵塞、风扇损坏、安装位置不当、环境温度过高或距离外界热源太近，均可能导致蓄电池系统散热不良，影响设备安全运行，引发火灾。

就目前传统的安全消防措施而言，并不能有效抑制锂离子电池的热失控，从而导致初期火灾迅速蔓延，进而演变为大规模火灾。电池舱内以往主要采用七氟丙烷全淹没灭火系统为主，但目前像江苏电网侧储能采用细水雾，北美地区目前普遍采用全氟己酮替代七氟丙烷。总体来说，目前还没有能彻底解决电池热失控后燃烧的消防手段，主要还是以预防为主、防消结合，同时辅以水消防作为解决手段。

2.爆炸

储能系统特有的蓄电池在充放电过程中会产生少量的氢气，氢气的爆炸极限为4%-75.6%。范围较大，若在局部的封闭空间聚集，有发生爆炸的危险性。储能装置室内长期运行电解水产生氢气，室内若通风不畅氢气排出管道堵塞,致使室内或局部密闭空间内的气达到一定浓度，遇明火或静电放电火花，可能造成爆炸事故若室内屋顶不够平整，造成氢气累积遇明火有发生爆炸的可能性。

蓄电池在充放电过程中，外部遇明火、撞击、雷电、短路过充或过放等各种意外因素，有发生爆炸的危险性。

储能系统箱式变压器装置若为带油设备，变压器装置内部故障时会引起电弧加温有燃烧和爆炸的可能。

3.触电

储能系统带有危险的直流和交流电压。而且因为它是一种储能装置即使在没接通电源或系统关闭时分部件可能仍然处在带电状态在打开或接触系统时若没有穿戴好相护具可能发生触电危险,电池模块放置的平台基架之间的绝缘电阻较小绝缘不良可能发生漏电、触电事故。

4.中毒和室息

电解液是储能电池的重要组成部分。

若室内温度控制不良使电解液发生溶质析出现象会影响电池寿命全液流电池电解液发生溶析现象时理论上可能析出五氧化二钒、三氧化二钒、硫的氧钒三种盐，其中析出晶体有剧毒，工作人员在不知道的情况下有可能接触毒物造成中毒。该析出晶体对呼吸系统和皮肤有损害作用，急性中毒可引起鼻、咽、肺部刺激症状，接触者出现烧灼感流泪、咽痒、干咳、胸闷全身不适等表现，重者出现支气管炎，皮肤高浓度接触可致皮炎剧烈瘙痒、慢性中毒，长期接触可引起慢性支气管炎、肾损害、视力障碍等，此外还可能对周围水体造成污染。

常用的锂离子电池电解液，一般是由有机溶剂和电解质（盐）组成目前电解质有高氯酸锂（LiCO4）、六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟酸（LiBF4）等其中六氟磷酸具有良好的导电性和电化学稳定性是目前主流的电解质可能产生有剧毒和腐蚀性的氟化氢（HF）气体对皮肤、眼睛、黏腰有强烈刺激作用入后可引起呼吸道炎症水肿。

储能装置室可能采用制氮机对室内产生氯气进行吹扫。吹扫系统主要危险有害因素体现在制氮机的使用和维护上。在制氮机运行过程中，会从设备外侧的气体排放口释放出氮气及高浓度的氧气，吸入了氮气以后可能会导致窒息，基至会导致死亡。如果在氧气浓度非常高的气体氛围中使用烟火，则会发生爆炸性的火灾在制氮机运行及停止的过程中，设备内可能会充满浓度非常高的氮气。若在制氮机行过程中没有开通排风扇进行换气，进入内部以后可能会吸入氮气导致室息，甚至会导致死亡。

制氮机运行过程中用到液态氮，若液态氮使用或保存不良，可能导致液氮储罐发生泄漏事故，并可能由此引发低温冻伤、中毒窒息事故。泄漏根据程度的不同分为两种情况：（1）小量泄漏事故：低温液体储罐、管道、阀门或安全阀等安全附件，由于各种原因造成气体轻微和少量泄漏，并且采取措施可以得到有效控制和消除。（2）大量泄漏事故：低温液体储罐道门或安全间等安全附件由于各种原因造成气体大量泄露可能引发中毒或室息。

5.灼烫

蓄电池的电解液具有酸性，对设备具有腐性。若电池外壳，电解液输送管道、储液罐的材料工艺耐腐蚀性达不到要求，将导致设备腐蚀,若长期严重腐蚀，会使电解液发生泄漏事故，严重时会发生电解液喷溅，若不能及时发现酸挥发，将导致整个厂房内腐蚀性气体扩散，腐蚀设备若不能及时有效地处理，将导致事故扩大。

若运行维护人员在正常检修或事故情况下未能穿防护服，带防护手套，可能造成对人体皮肤的腐蚀，造成人员伤害。电解液若沾到皮肤上，经过挥发由稀液变成浓溶液其腐

蚀性会增强，若不慎沾到皮肤或眼睛等，没有及时处理可能导致严重烧伤，皮肤灼伤轻者出现红,重者形成溃疡，愈后瘢痕收缩影响功能。溅入眼内可造成灼伤基，至角膜穿孔、全眼炎以至失明。

储液罐及电解液输送管道因外力破坏发生溶液的渗漏、喷溅或涌出现象可能引发环境污染、设备腐蚀人员灼烫。

蓄电池正常运行，电解液长期流动也会对设备造成腐蚀,应定期对电解液储罐及输送管通进行维护，若维护不可能导致设备因腐蚀严重而发生事故。

在制氮机的空气压机、MS吸附器、加热器的周围有高温的部分，用手接触可能发生烫伤。

6.其他

电池系统测量温度、液面等数据的传输线受电磁干扰等影响可能产生测量误差成储能系统工作不正常。制氮机运行过程中机械的周围以及有降压阀的周围会产生噪音，能对健康产生危害。

四、设计要求

目前，有关储能电站的设计重要遵循《电化学储能电站设计规范》（GB51048-2014）。同时在勘察设计过程中，有关电站的防火及布置设计，同时参照2018年版《建筑设计防火规范》（GB50016）与《火力发电厂与变电站防火设计规范》（GB50229-2006），在设计过程中，作为预制舱式（集装箱式）的锂离子电池储能电站，规程规范的条文针对性不强，给设计人员造成了较大的困惑。当前，储能消防相关的标准也较为缺失或滞后，中电联颁发的团标《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》（T/CEC373-2020）是目前为数不多的储能消防规范。

1.标准的优先级别

《预制舱式磷酸铁锂离子电池储能电站消防技术规范》（TCEC373-2020）属于团标，不属于行业标准，也不是国标，且在规范中明确提出，电站的设计要参考《电化学储能电站设计规范》（GB51048-2014）与《建筑设计防火规范》（GB50016），所以当规范条文与国标的条文抵触时，原则上应以国标规定为准，但国标的条文中，没有对预制舱型式的电站形式作出明确的规定。所以，在设计时要针对工程的特点与具体情况，从严的原则对照标准条款。

2.对电池及其系统的要求

（1）本规范对“磷酸铁锂离子电池”、“电池管理系统”、“电池预制舱”的产品设计提出了明确的要求，电池本体及其附属系统的设计非常专业，且是新生事物，认识与理解要一个过程，设计人员在编写技术规范书或者签订技术协议时，建议将原规范中的条款直接进行引用；

（2）注意火灾报警系统与电池系统火灾报警的信号接口、通信要求及联动策略；

（3）注意预制仓门的宽度，开启方向及仓门的联锁要求；

（4）预制仓的通风系统应满足防爆的要求。

3.储能电站的站址要求（1）“预制舱式储能电站的设置位置有明确要求，不能贴邻或设置在甲、乙类厂房内，且不应设置在爆炸性气体、粉尘环境的危险区域内。”（电池集装箱与丙、丁、戊类生产建筑保证10米的安全距离，与油浸式变压器保证10米的安全距离。解读：很多项目处于成本考虑，就地变压器采用油浸式变压器，关于储能电池舱与就地变压器成对布置，10米的距离很难保证，目前，国内很多项目普遍采用干变替代油变，保证了消防的安全。）

设计人员要理解甲、乙厂房的标准界定，特别是对液体闪点的要求，建议参考《建筑设计防火规范》（GB50016）中条文解释，这可能是大多数输变电设计从业人员不易理解的地方。

（2）目前，所有的规程规范中，没有一个条款是不允许预制舱式储能电站布置在建筑内的，从这个条款中，我们可以理解并得出，满足要求的建筑物内是可以布置预制仓式的储能电站的。

（3）同时，有关装配式的磷酸铁锂离子电池，由于其防护等级的，只能安装布置在室内，所以可以推导出预制舱式储能电站也是可以布置在室内的，全封闭布置在室内时，建议提高建筑物防火等级。

（4）《电化学储能电站设计规范》（GB51048-2014）对站址选址的要求比较原则，与常规传统的变电站选址基本相同。

（5）储能电站中的建构筑物不应低于耐火二级，并要满足建构物之间及与配间装置之间的间距，与变电站防火规范的基本相同。

（6）电池舱只能单层布置，相隔的间距不应小于3米，假如间距不满足要求时，要设置防火墙，两端的轮廓各超出1米。同时可以理解为电池舱的布置与建构物不满足距离要求时，也可以加防火墙，或将布置间隔不满足要求的建筑物的相邻外墙按照防火墙的等级进行建造。

（7）储能电站须为的区域，并设置围栏，只有当电池舱的距离与围栏距离不够5米的时候，才要将围栏设置为围墙。

4.消防给水系统

（1）储能电站应设置消防给水系统，水源的选择与变电站的消防水源较为相似，假如设置在火力发电厂或新能源电站内的储能系统，可以与其共用一个消防系统，满足水压、水量及灭火时间的要求。

（2）水量的计算时，要考虑消防栓3小时与预制舱内水喷雾1小时的水量需求之和。

（3）消防栓的设置的间距且要满足4支消防水栓同时使用时的消防水流量小于20L/s。

（4）自动灭火装置是针对预制舱（储能设备）厂家提出的技术要求，要配置细水雾灭火系统与气体（一般为六氟丙烷）灭火装置，在招标及技术协议中，可直接将4.款的要求附上。

5.火灾自动报警及其联动系统的要求

（1）预制舱内的火灾自动报置及联动装置应与电站的其他区域分开；当火灾自动报警系统设置在二次设备舱时，消防控制设备区域应与其他区域分开布置。

（2）预制舱内应设置可燃气体、感烟、感温探头，且分别设置不少于2个。

（3）火灾自动报置及联动装置的告警及动作逻辑应按照4.9.5、4.9.6、4.9.7之条款要求。

6.消防供电与防雷接地设计

（1）预制舱式储能电站消防供电设计应符合一级消防供电的要求：一级消防负荷应由两个电源供电。所谓电源，任一电源发生故障或停止供电时，其他电源将能保证继续供电。

（2）消防用电设备的电线电缆建议选用铜芯耐火电缆。

（3）储能电站布置在室外时，按照规范要求，需设置避雷针防直击雷；接地装置除满足正常要求之外，可以与原有厂、场、站的接电网可靠连接，以降低接地电阻；有关地下严重腐蚀区域，可采用铜材接地或采用阴极保护。

7.消防器材及灭火救援

（1）预制舱式磷酸铁锂离子电池储能电站应配置满足标准的消防器材类型、数量及区域的要求。

（2）电站内配置不少于2套的正压呼吸器。

（3）电站内要设置环形的消防车道，假如有困难时，可沿建构筑物的两个长边设置消防车道。

（4）电缆的封堵要求要满足《电力工程电缆防火封堵施工工艺导则》（DL/T5707-2014）及《电力工程电缆设计规程》（GB50217-2007）中的相关要求。这个与发电厂及变电站的设计要求相同。

五、事故案例

在激增的市场需求、复杂的应用场景面前，国内外储能安全事故频发，近年来也发生了多起储能电站的安全事故，其中包含某些知名储能供货商参与的项目。例如：2021年7月30日，采用特斯拉Megapack的全球最大电池储能项目、澳大利亚“维多利亚大电池”发生火灾，大火连烧4天才熄灭。2019年4月19日，美国McMicken电池储能项目发生火灾爆炸事故，造成4名消防员受伤，事故引发多方关注，APS也就此停止了850MW电池储能安装计划。

国内，近一年已接连发生三起典型储能安全事故。

1.2021年4月16日，北京丰台某储能电站调试过程中起火爆炸的消息上了热搜，消防人员奋战12小时才将明火彻底扑灭。事故不仅造成1660.81万元的直接财产损失，更造成多人伤亡，其中2名消防员不幸遇难。这起国内首例储能爆炸事故引发众多媒体的报道关注，并首次将安全话题摊开在消防部门面前，令各行业正视储能行业隐藏的危险。

2.2022年1月12日，京港澳高速上一辆满载储能系统的货车突然起火，好在司机及时发现、将事故车辆停在应急车道并报警，消防救援人员到达现场时，车厢内正猛烈燃烧，火焰时不时向外喷射、并冒出滚滚浓烟，不时伴有爆炸声，

幸而司机和消防人员教科书般的处置及时，并未造成更严重的伤亡。

3.而时隔仅仅一个月，2022年2月18日，淋了一场雨的江西某储能项目发生起火，在存放阶段的电池舱剧烈燃烧，现场人员发现后及时报火警、消防人员控制了险情，事故原因仍在调查中。

附件：

4·16北京储能电站火灾事故调查报告

2021年4月16日12时17分，北京市丰台区南四环永外大红门西马厂甲14号院内北京国轩福威斯光储充技术有限公司储能电站施工调试过程中起火，经消防部门奋力扑救，23时40分，明火被彻底扑灭。

一、事故经过

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号院内储能电站起火的警情，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。

二、伤亡情况

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。

三、财产损失

—13—火灾造成直接财产损失1660.81万元。

四、责任事故

调查组认定，丰台区“4·16”较大火灾是一起责任事故，属于未备先建项目。

北京市应急管理局指出，调查组根据消防救援机构现场勘验、检测鉴定、实验分析、仿真模拟和专家论证情况，综合分析发生事故的直接原因为：南楼起火直接原因是项目西电池间内的磷酸铁锂电池发生内短路故障，引发电池热失控起火。北楼爆炸直接原因为南楼电池间内的单体磷酸铁锂电池发生内短路故障，引发电池及电池模组热失控扩散起火，事故产生的易燃易爆组分通过电缆沟进入北楼储能室并扩散，与空气混合形成爆炸性气体，遇电气火花发生爆炸。

—14—