一种适用于变电站磷酸铁锂电池直流系统的三级防火策略

1.本发明涉及电池防火技术，具体涉及一种适用于变电站磷酸铁锂电池直流系统的三级防火策略。


背景技术：

2.变电站直流电源系统是变电站安全运行的重要保障，承担着为监视、操作、控制、保护等二次设备提供稳定可靠电源的重任，一旦发生站用直流电源全停，将严重威胁变电站和电网的安全运行，甚至会引发设备严重损坏和电网大面积停电事故。而蓄电池组作为直流电源系统的重要组成部分，在站用交流停电时为保护、控制、监控系统、智能装置和ups等提供备用电源，是保障直流电源系统可靠性的最后一道防线。目前各电压等级的变电站中，直流电源系统后备电源均采用阀控式铅酸电池，根据近年蓄电池组运行性情况来看，铅酸电池存在一系列问题，如工作寿命短、温度要求高、维护工作量大、污染环境等。磷酸铁锂电池具有较长的循环寿命、优异的倍率性能和良好的温度特性，并且绿色环保，近些年来在变电站直流系统中取得广泛的研究。然而，磷酸铁锂电池的本质安全仍难以实现。电池处于挤压、过充、过热等滥用条件下，会引发热失控，甚至发展为燃烧爆炸，因此，对于无人值守的变电站来说，磷酸铁锂电池的安全问题也不容忽视。


技术实现要素：

3.本发明目的在于，针对现有变电站直流电源系统中没有有效的磷酸铁锂电池防火技术，而提供一种适用于变电站磷酸铁锂电池直流系统的三级防火策略，以解决变电站直流电源系统的磷酸铁锂电池消防问题。
4.本发明是将装置有磷酸铁锂电池模组的电池开关柜置于电池预制舱内，先通过磷酸铁锂电池模组的bms电池管理系统对电池的充电、放电进行有效管理以均衡温度，确保充放电过程中不发生电池过充、过放、过热，并当电池出现异常时由电池开关柜内设置的温度传感器等进行分级预警；当电池已经起火且火灾无法避免时，启动电池开关柜内的综合灭火系统对火灾进行快速灭火。倘若电池火灾大范围失控时，可通过于电池预制舱外安装防火墙实现与变电站内的其他相邻部分隔离，以防止火势扩大，并且通过防爆装置，以防止发生爆炸。
5.具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：一种适用于变电站磷酸铁锂电池直流系统的三级防火策略，该策略步骤如下：a.于电池开关柜内，根据磷酸铁锂电池模组的置放位置安装气体灭火控制器、温度传感器、可燃气体浓度传感器、烟雾传感器、视频监控装置、空调、风机及防爆装置，并使安装的前述设备均分别与变电站消防控制中心连接，气体灭火控制器分别与温度传感器、可燃气体浓度传感器及烟雾传感器连接；同时设置电池预制舱，将电池开关柜置放于电池预制舱内，并使电池预制舱与变电站消防控制中心连接。
6.b.一级防火：
1）磷酸铁锂电池模组的bms电池管理系统对电池充放电进行有效管理，以保证磷酸铁锂电池不会过充、过放、过热，并控制同一电池开关柜内不同单体电池温度之间的差值在0.2℃～0.8℃范围内，然后打开空调；2）各电池开关柜内，以温度、可燃气体浓度、烟雾以及明火为指标提出多级预警控制策略：可燃气体浓度传感器、温度传感器、烟雾传感器及视频监控装置将实时获取的所在电池开关柜内的可燃气体浓度、温度、烟雾值及视频信息上传至变电站消防控制中心显示；同时可燃气体浓度传感器、温度传感器及烟雾传感器将实时获取的可燃气体浓度、温度及烟雾值发送至气体灭火控制器，由该气体灭火控制器进行实时数据与设定的阈值的比对：若一电池开关柜中气体灭火控制器接收到的所有传感器中的任意一个传感器所获取的实时数据超过设定的阈值即为单个电池正常时的可燃气体浓度值、温度或烟雾值的50%时，触发一级预警，气体灭火控制器发出警报，同时探测触发一级预警的传感器位置，并将该传感器位置及警报信息上传至变电站消防控制中心，变电站消防控制中心控制该电池开关柜所在的舱级断路器关闭以断电，并提醒工作人员及时排查故障；若一电池开关柜内气体灭火控制器接收到的所有可燃气体浓度传感器中的任意一个传感器感测到的实时可燃气体浓度值超过设定的阈值即为达到磷酸铁锂电池模组起火时的可燃气体浓度值的30%时，触发二级预警，气体灭火控制器发出警报，同时探测触发二级预警的传感器位置，并将该传感器位置及警报信息上传至变电站消防控制中心，变电站消防控制中心控制关闭空调、启动风机，并提醒工作人员进行现场处理；若一电池开关柜内气体灭火控制器接收到的所有可燃气体浓度传感器感测到的可燃气体浓度值和所有温度传感器感测到的温度均超过设定的阈值即为达到磷酸铁锂电池模组起火时的可燃气体浓度值或温度的80%时，触发三级预警，气体灭火控制器发出警报，上传警报信息至变电站消防控制中心，变电站消防控制中心控制该电池开关柜所在的舱级断路器关闭以断电，同时气体灭火控制器自动启动自身灭火系统；变电站消防控制中心根据各电池开关柜内的视频监控装置上传的视频信息进行远程监控，若发现电池开关柜内出现明火，或者一电池开关柜内电池因热扩散起火引起其他电池开关柜内的任意一个温度传感器或烟雾传感器触发警报，启动四级预警，变电站消防控制中心发出消防警报，确定火灾所在的电池开关柜，并立即关断该电池预制舱内所有连接，同时启动防爆装置，进入二级防火防线。
7.上述一级防火的多级预警控制策略中，气体灭火控制器对电池开关柜内安装的各设备进行实时故障检测，若检测到设备故障，则显示故障设备信息，并将故障设备信息上传至变电站消防控制中心，以提醒工作人员及时排查设备故障。
8.c.二级防火：于电池开关柜内安装综合灭火系统，该综合灭火系统包括气体灭火系统和细水雾灭火系统，并与变电站消防控制中心连接；当一级防火防线被突破后，变电站消防控制中心发出控制信号启动综合灭火系统，气体灭火系统和细水雾灭火系统同时启动，气体灭火系统与细水雾灭火系统按照先气体后水雾控制策略对着火的电池开关柜实施灭火。
9.上述气体灭火系统为火探管式ig541自动探火灭火系统，细水雾灭火系统为含
nacl添加剂的高压细水雾灭火系统。
10.d.三级防火：电池预制舱外安装防火墙与变电站内的其他相邻部分隔离，并对电池预制舱外缘进行持续性喷水以降温。
11.本发明将温度传感器、可燃气体浓度传感器、烟雾传感器直接装于放置有磷酸铁锂电池模组的电池开关柜内，可以及时探测到电池热失控的早期信号，以便于及时采取对应措施，将起火遏制在萌芽中。所提出的多级消防预警策略，能有效保证电池从热失控到起火的各个阶段，都能有所警示并及时采取措施，避免火灾的产生与蔓延。在一级防火策略后采用ig541气体与含nacl添加剂的细水雾综合灭火系统，灭火性能好，效率高且不复燃。同时电池开关柜安装防爆装置，置于电池预制舱内，电池预制舱外安装防火墙与变电站内的其他相邻部分隔离，能有效防止火灾蔓延，尽可能将火灾范围缩小。
附图说明
12.图1为本发明的策略流程图。
具体实施方式
13.下面将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
14.本发明为一种适用于变电站磷酸铁锂电池直流系统的三级防火策略，为达到变电站磷酸铁锂电池直流系统三级防火目的，包括如下步骤：将置放有磷酸铁锂电池模组的电池开关柜置于电池预制舱内，先是磷酸铁锂电池模组的bms电池管理系统对电池充放电进行有效管理，并于电池开关柜内根据温度、烟雾、可燃气体浓度、明火等进行分级预警，组成一级防火，在电池发生热失控前执行多级控制策略；当一级防火被突破后，由综合灭火系统对已经发生的电池开关柜内的火灾进行全方位灭火，以持续降温防止复燃；当二级防火系统被突破后，即电池预制舱内部消防措施失效，火灾已经无法熄灭，可在电池预制舱外安装防火墙，并让消防人员对电池预制舱外缘进行持续性喷水降温，以防止火灾蔓延到变电站其他部分。具体策略如下，请结合参见图1：a.设置电池预制舱，将装有磷酸铁锂电池模组的电池开关柜置放于电池预制舱内，该电池预制舱与变电站消防控制中心连接。电池开关柜内安装气体灭火控制器、温度传感器、可燃气体浓度传感器、烟雾传感器、视频监控装置、空调、风机及防爆装置。该温度传感器、可燃气体浓度传感器及烟雾传感器均分别与变电站消防控制中心和气体灭火控制器连接，用以实时获取电池开关柜内的温度、烟雾及可燃气体浓度数据，并发送至变电站消防控制中心和气体灭火控制器。气体灭火控制器与变电站消防控制中心连接，用以对前述安装的各设备（包括气体灭火控制器本身）进行探测后，将探测到的设备故障信息上传至变电站消防控制中心；并用于接收各传感器发送的获取的实时数据，进行处理（与各传感器设定的阈值相比较）后发出警报信号，同时上传警报信息至变电站消防控制中心，并判断是否自动启动自身灭火系统；并用于探测触发各级预警时对应传感器的位置，并将该位置上传至变电站消防控制中心。该视频监控装置与该变电站消防控制中心连接，以将视频信息上传至变电站消防控制中心；该防爆装置、空调及风机亦分别与变电站消防控制中心连接。该变电站消防控制中心为处理中心，用于接收并显示各传感器、气体灭火控制器、视频监控装置
发送的实时数据信息（包括各传感器获取的实时数据，气体灭火控制器发送的设备故障信息、警报信息及触发各级预警时对应传感器的位置，视频监控装置上传的视频信息等）后发出控制信号。
15.上述提及的电池开关柜内，安装的气体灭火控制器数量为1个，温度传感器、可燃气体浓度传感器、烟雾传感器及视频监控装置的数量为数个，安装于电池开关柜内的不同位置以从不同方位对磷酸铁锂电池模组进行侦测，空调及风机的数量根据电池开关柜的具体规模而定。
16.b.一级防火（包括bms电池管理系统的电池充放电有效管理、及分级预警）1）各电池开关柜内，先由磷酸铁锂电池模组自带的bms电池管理系统对电池充放电进行有效管理，以保证磷酸铁锂电池不会过充、过放、过热：充电过程中充分考虑到单体电池电压、荷电状态soc、健康状态soh、以及历史运行状态确定合理电池均衡策略，采用热管理技术将同一电池开关柜内不同单体电池温度之间的差值控制在0.2℃～0.8℃，然后打开空调。
17.上述提及的合理电池均衡策略的确定为现有技术，参见：蔡敏怡,张娥,林靖,王康丽,蒋凯,周敏.串联锂离子电池组均衡拓扑综述[j].中国电机工程学报,2021,41(15):5294-5311。
[0018]
上述提及的热管理技术亦为本领域常规技术。
[0019]
2）各电池开关柜内，从温度、可燃气体浓度、烟雾以及明火等不同角度出发提出多级预警控制策略，以使电池出现异常时能快速发出警报信号并执行相应保护措施。具体为：可燃气体浓度传感器、温度传感器、烟雾传感器及视频监控装置实时获取其所在电池开关柜内的可燃气体浓度、温度、烟雾值及视频信息等数据，并将获取的实时数据上传至变电站消防控制中心显示；同时可燃气体浓度传感器、温度传感器及烟雾传感器将实时获取的可燃气体浓度、温度及烟雾值数据发送至气体灭火控制器，由该气体灭火控制器进行实时数据与设定阈值的比对处理：若一电池开关柜中气体灭火控制器接收到的所有传感器中的任意一个传感器所获取的实时数据超过设定的阈值（该阈值为磷酸铁锂电池模组中的单个电池发生热失控时设置的警报阈值，为单个电池正常时的可燃气体浓度值、温度或烟雾值的50%）时，触发一级预警（潜伏期的预警），气体灭火控制器发出警报，同时探测触发一级预警的该传感器位置，并将该传感器位置及警报信息上传至变电站消防控制中心，变电站消防控制中心控制舱级断路器关闭，通过断电方式阻止电池内部进一步发生反应，并提醒工作人员及时排查故障，防患于未然。
[0020]
若一电池开关柜内气体灭火控制器接收到的所有可燃气体浓度传感器中的任意一个传感器感测到的实时可燃气体浓度值超过设定的阈值（该阈值为磷酸铁锂电池模组发生热失控时的可燃气体浓度阈值，即为达到磷酸铁锂电池模组起火时的可燃气体浓度值的30%）时，触发二级预警（预警期警报），气体灭火控制器发出警报，同时探测触发二级预警的该传感器位置，并将该传感器位置及警报信息上传至变电站消防控制中心，变电站消防控制中心控制关闭空调、启动风机，避免可燃气体浓度过高形成超压而发生爆炸，并提醒工作人员根据现场具体情况进行处理。
[0021]
若一电池开关柜内气体灭火控制器接收到的所有可燃气体浓度传感器感测到的
可燃气体浓度值和所有温度传感器感测到的温度均超过设定的阈值（该阈值为磷酸铁锂电池模组发生热失控时的可燃气体浓度值和温度指标，即为达到电池模组起火时的可燃气体浓度值或温度的80%）时，触发三级预警（即报警期的警报），气体灭火控制器发出警报，上传警报信息至变电站消防控制中心，变电站消防控制中心控制舱级断路器关闭以断电，同时气体灭火控制器自动启动自身灭火系统。
[0022]
变电站消防控制中心根据各电池开关柜内的视频监控装置上传的视频信息进行远程监控，若发现电池开关柜内出现明火，或者一电池开关柜内电池因热扩散起火引起其他电池开关柜内的任意一个温度传感器或烟雾传感器触发警报，启动四级预警（即明火期的警报），变电站消防控制中心发出消防警报，确定火灾电池开关柜，并立即关断该电池开关柜所在的电池预制舱内所有连接，同时启动防爆装置，进入二级防火。
[0023]
在该多级预警过程中，气体灭火控制器对电池开关柜内各设备（前述安装的气体灭火控制器、温度传感器、可燃气体浓度传感器、烟雾传感器、视频监控装置、空调、风机、防爆装置及综合灭火系统）进行实时故障检测，若检测到设备故障，则显示故障设备信息，并将故障设备信息上传至变电站消防控制中心，提醒工作人员，以便及时排查设备故障。
[0024]
c.电池开关柜的二级防火（利用综合灭火系统进行灭火）综合灭火系统设置于电池开关柜内，并与变电站消防控制中心连接。该综合灭火系统包括气体灭火系统（火探管式ig541自动探火灭火系统）和细水雾灭火系统（含nacl添加剂的高压细水雾灭火系统）。
[0025]
当电池开关柜内的磷酸铁锂电池模组的bms电池管理系统无法控制电池热失控起火时，此时一级防火防线已经被突破，变电站消防控制中心发出控制信号启动综合灭火系统，气体灭火系统和细水雾灭火系统同时启动，气体灭火系统与细水雾灭火系统组合系统按照先气体后水雾控制策略，对着火的电池开关柜实施灭火。由于气体灭火系统响应时间短、喷放快，气体系统先行实施快速灭明火，细水雾随后到达，一方面能扑灭明火，另一方面能对电池模组进行冷却保护，防止热失控继续发展和火灾蔓延。当综合灭火系统无法消除明火时，则表示二级防火防线被突破，进入三级防火。
[0026]
d.三级防火（电池预制舱式隔离）为防止着火的电池预制舱在一定时间内引燃变电站相邻部分，可在电池预制舱外安装防火墙，同时让消防人员对电池预制舱外缘进行持续性喷水以降温，能避免火势扩散。
[0027]
安装的防火墙长度、高度应超出电池预制舱外廓各1m。电池预制舱与变电站相邻部分之间的防火间距长边端不应小于3m，同时考虑预制舱短边两侧一般是消防救援和运行检修的通道且门洞口有一定的泄压功能，舱体短边端的防火间距不应小于4m。
[0028]
较佳的，电池预制舱的防火墙均增设有常开推闩式钢质防火门。该常开推闩式钢质防火门安装有信号控制关闭和反馈装置，并与变电站消防控制中心连接，能在火灾时控制顺序关闭。
[0029]
较佳的，电池预制舱舱壁采用内、外层钢板包裹型钢骨架结构（现有技术，参考：预制舱式二次组合设备舱体结构与温度控制的研究及应用[d]丁朝辉，江苏大学。2020），型钢骨架将内、外层钢板连接在一起。外层钢板采用高强度瓦楞钢板，外层钢板与型钢骨架之间増加夹芯板（如：岩棉夹芯板或玻璃棉夹芯板），外层钢板与夹芯板之间用岩棉埴充，型钢骨架内的空隙填充隔热防火材料（如：岩棉或玻璃棉）。如此，电池预制舱的舱壁完全断桥，隔
热层厚度也有所増加，在40℃高温环境下，经空调系统降温，舱内温度能长期稳定在25℃左右。
[0030]
以上仅是对本发明优选实施方式的描述，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本发明所属技术领域的技术人员在不偏离本发明的精神和原理的情况下对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，视为本发明的保护范围。