变电站钛酸锂电池并联直流电源系统消防方案研究_徐立波.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 6 月电力与能源变电站钛酸锂电池并联直流电源系统消防方案研究徐立波1，龚泉2，杨思安3，郑亚飞2，沈诞煜1（1.上海电力设计院有限公司，上海 200025；2.国网上海市电力公司，上海 200125；3.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，广东 深圳 518057）摘要：为了探索钛酸锂电池取代铅酸蓄电池作为变电站直流电源系统后备电源的可行性，首先论述了钛酸锂电池的特点，通过与铅酸蓄电池的主要技术参数进行对比，论证了钛酸锂电池的适用性。其次，介绍了某110 kV 变电站钛酸锂电池并联直流电源系统的方案，对并联电池智能组件的组成、配置模式和布置方式进行了阐述。最后，为进一步提升锂离子电池的安全性，提出了变电站钛酸锂电池并联直流电源系统的消防方案，给出电池室消防配置建议，重点论述了电池柜内配置的全氟己酮自动灭火系统的组成、布置方式、分级报警策略和联动控制方案。关键词：直流电源系统；钛酸锂；消防方案；变电站作者简介：徐立波（1988），男，硕士，主要研究方向为变电站电气设计。中图分类号：TM912.9 文献标志码：A 文章编号：2095-1256（2023）03-0277-05Research on Fire Control Scheme of Parallel DC Power System for Lithium Titanate Battery in SubstationXU Libo1，GONG Quan2，YANG Sian3，ZHENG Yafei2，SHEN Danyu1（1.Shanghai Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200025，China；2.State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200125，China；3.Shenzhen Taiang Energy Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518057，Guangdong Province，China）Abstract：This paper explored the replacement of lead-acid battery by lithium titanate battery as the backup power supply of DC power system in substation.Firstly，the characteristics of lithium titanate battery were discussed.By comparing the main technical parameters of lead-acid battery，the applicability of lithium titanate battery was demonstrated.Secondly，the scheme of parallel DC power system in a 110 kV substation was introduced，and the composition，configuration mode and layout of parallel battery intelligent components were described.Finally，in order to further improve the safety of lithium ion batteries，a fire control scheme for the substation lithium titanate battery in parallel DC power supply system was proposed，and suggestions on the fire control configuration of the battery room were given.The composition，arrangement，hierarchical alarm strategy and coordinated control scheme of the perfluorohexanone automatic fire extinguishing system configured in the battery cabinet were emphatically discussed.Key words：DC power system，lithium titanate，fire control scheme，substation变电站直流电源系统的后备电池通常采用阀控式密封铅酸蓄电池，其具有工作稳定、性能可靠、价格便宜等优点，但同时存在寿命短、维护工作量大、工作电流范围小、有氢气析出、对运行环境温度要求高等缺点1。此外，阀控式密封铅酸电池内部含有重金属，如处理不当易产生土壤环境污染。磷酸铁锂电池是近期发展起来的新型二次电池，在电力储能和电动汽车领域已有广泛应用，其主要指标显著优于铅酸蓄电池2-3。近年来偶有发生的磷酸铁锂储能电站安全事故影响了其在变电站的推广应用4。钛酸锂电池采用钛酸锂作为负极材料，具有远高于形成固体电解质界面（SEI）膜和锂枝晶的锂嵌入/脱嵌电压，因而具有良好的安全特性5。DOI：10.11973/dlyny202303016277徐立波，等：变电站钛酸锂电池并联直流电源系统消防方案研究钛酸锂电池在能量密度、循环次数、充放电速率、低温特性等各项性能指标上也大幅优于铅酸蓄电池，是一种可行的变电站直流电源系统后备电源储能器件替代方案。近年来，许多学者对钛酸锂电池的安全性能和消防措施开展研究。文献 6 分析了几种不同钛酸锂体系锂离子电池国内外研究现状及应用前景，提出其是高倍率、长寿命锂离子电池负极材料的首选。文献 7 提出钛酸锂材料因同时具有高安全性和高倍率性能，具备作为军用锂电池负极材料的潜力。文献 8 以商用钛酸锂电池为研究对象，对其进行外部短路、过充、针刺、加热和火焰共 5 项安全性能测试，结果表明钛酸锂电池具备非常优异的安全性能。文献 9 利用过充、针刺、加热等方式对钛酸锂电池进行了热失控触发的试验研究，结果表明钛酸锂电池在极端过充和持续加热情况下会引发电池热失控。文献 10 表明钛酸锂电池在电滥用时会出现热失控，提出了使用全氟己酮抑制剂在电池爆喷前对使用空间进行惰化的解决思路，并通过实体试验，验证了提前释放抑制剂可有效抑制电池组的热失控扩展。上述文献表明钛酸锂电池具有很高的安全性，但在极端情况还是会出现热失控情况。考虑到变电站通常采用无人值班的运维方式，为进一步提升钛酸锂电池在变电站直流电源系统应用的安全性，提出一种适用于变电站场景的直流电源系统全氟己酮自动灭火系统消防方案。1钛酸锂电池的特点与应用1.1钛酸锂电池的特点钛酸锂电池作为锂离子电池的一种，其正极材料为锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂中的一种或几种，负极材料为钛酸锂（Li4Ti5O12）6。与其他采用石墨作为负极材料的锂离子电池相比，钛酸锂电池具有安全性高、充放电倍率高、低温性能好、循环寿命长和荷电状态（SOC）范围宽等 5大优势。1.2钛酸锂电池与铅酸电池的对比钛酸锂电池与铅酸蓄电池的参数对比情况如表 1 所示。与常规阀控式密封铅酸蓄电池相比，钛酸锂电池在比能量、环保性能、循环次数和充放电倍率等方面具有显著优势。钛酸锂电池具备本质安全性能，其在直流电源系统中的可靠性有待工程实践加以验证。钛酸锂电池的劣势是价格较高，限制了其在变电站的推广应用。1.3钛酸锂电池应用于变电站的适用性变电站直流电源系统后备电池需优先考虑安全性。磷酸铁锂和三元锂电池的安全性显著低于阀控铅酸蓄电池，限制了这两种电池在变电站直流电源系统的应用。钛酸锂电池的安全性可与阀控铅酸蓄电池相媲美，在外部短路、过充、针刺、加热和火焰等试验中，钛酸锂电池都能经受住考验，不会发生起火和爆炸8。钛酸锂电池的低温特性好，对于处于寒冷地区的变电站具有很好的环境适应性。钛酸锂电池的比能量是阀控铅酸电池的 2 倍，在相同电量下显著减轻电池荷载质量。此外，钛酸锂电池的循环寿命、日历寿命均显著高于阀控铅酸电池，可减少后期电池更换频次。钛酸锂电池主要存在以下两个缺点。（1）钛 酸 锂 电 池 价 格 较 为 昂 贵，约 为 磷 酸铁 锂 电 池 的 2 倍。当钛酸锂电池市场容量扩大产生规模效应后，钛酸锂电池的价格水平预计会表 1钛酸锂电池与铅酸蓄电池参数对比参数比能量/（Whkg-1）环保性能循环次数（0.1C 充放电）充放电倍率安全可靠性价格/（元 Wh-1）钛酸锂电池80100不含重金属，污染较小约 20 000 次充放电电流大（16 C），速度快具有本质安全性，在直流电源系统中的可靠性有待工程验证5.0铅酸蓄电池4050含重金属铅，污染较大约 400 次一般以 0.1 C 充放电，速度慢在直流电源系统中应用成熟，安全可靠性高0.6钛酸锂电池特点分析比能量约为铅酸电池的两倍，能量密度更高不产生重金属污染循环次数是铅酸蓄电池的 50 倍可减少电池核容时间，提升效率正常使用下，安全性能可与铅酸蓄电池相媲美市场容量较小，价格较高278徐立波，等：变电站钛酸锂电池并联直流电源系统消防方案研究有所下降。（2）能量密度稍低。钛酸锂电池的能量密度约为磷酸铁锂的 2/3、三元锂的 1/2，但高于阀控铅酸电池，约为其 2 倍。变电站直流电源系统后备电池容量不高，即使能量密度不高也不会对电池的应用带来显著的影响。2变电站钛酸锂电池并联直流电源系统方案2.1并联电池智能组件常规变电站直流电源系统电池采用串联方案，存在电池单体性能影响整组输出、电池参数需严格保持一致、无法实现在线全容量核容及更换等缺点1。并联直流电源系统方案中，将 12 V 电池组与具备 AC/DC 整流和电池组充放电功能的电源模块组成并联电池智能组件，电池组与电源模块一一对应，电池组通过电源模块间接并联接入220 V或 110 V直流母线。2.2并联电池配置方案上海某 110 kV 变电站试点采用分布式钛酸锂电池并联直流电源系统，分为两套直流电源系统，分别供给二次设备室直流负荷和 110，10 kV配电装置室的直流负荷。经容量计算，分别需采用 22 组 12 V/180 A h 的钛酸锂电池组和 14 组12 V/90 A h的钛酸锂电池组。110 kV 变电站并联直流电源系统接线如图 1所示。钛酸锂电池单体的标称电压为 2.45 V、标称容量为 30 A h。因此，12 V/90 A h 电池组采用单体 5 串 3 并，12 V/180 A h 电池组单体 5 串 6并，采用先并后串的成组方式，这种结构成组简单，成本较低，适用于并联数量较少的场合11。2.3直流电源系统布置方案根据 DL 50272015 电力设备典型消防规程12的规定，锂离子电池应设置在专用房间内。考虑将两套直流电源系统的并联电池智能组件组柜布置于变电站电池室内。22组 12 V/180 A h系统配置 4面屏柜，每面屏柜下方布置 4个或 6个并联电池智能组件。14组 12 V/90 A h系统配置 2面屏柜，2面屏柜下方分别布置 6个和 8个并联电池智能组件。两套直流电源系统的馈线单元分别布置于二次设备室和10 kV配电装置室。3变电站钛酸锂电池直流电源系统消防方案3.1电池室的消防方案电池室的消防方案包括火灾自动报警、固定灭火系统和事故排风等内容。电池室应设置火灾自动报警系统，宜配置防爆型感烟或吸气式感烟探测器13-14。同时，由于钛酸锂电池在热失控等故障状态下会释放 H2，CO 等可燃气体10，电池室还应独立配置可燃气体探测报警系统。H2，CO 气体的密度分别小于或与空气密度相当，根据规范的要求，可燃气体探图 1110 kV 变电站并联直流电源系统接线279徐立