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澳大利亚Victorian Big Battery电池储能项目火灾调查报告(一)

作者:刘伯洵 来源:中国储能网 发布时间:2022-05-17 浏览:

中国储能网讯:背景  

Victorian Big Battery(VBB) 电池储能项目是部署在澳大利亚维多利亚州吉朗的一个300MW/450MWh电网规模电池储能项目,是全球目前运营的规模最大的电池储能系统之一,在峰值电力需求期间可以为维多利亚州一百多万户家庭用户供电30分钟。VBB电池储能项目采用了212个Tesla Megapacks电池储能系统。Tesla Megapack是一种集装箱式锂离子电池储能系统,由电池模块、电力电子设备、热管理系统以及控制系统组成,而一个Tesla Megapacks电池储能系统可以安装在一个长7.2米、宽1.6米、高2.5米的集装箱中。  

2021年7月30日,在VBB电池储能项目的初始安装和调试期间,其中一个Megapack电池储能系统开始起火并蔓延到邻近的另一个Megapack储能系统,好在火势并没有蔓延到其他的储能系统,这两个Megapack电池储能系统在燃烧六个小时之后烧毁。由于没有发生爆炸或爆燃的情况,并没有现场灭火和处理的消防人员和应急响应人员受伤。Megapack电池储能系统采用防止火灾设计,根据特斯拉公司发布的锂离子电池应急响应指南2(ERG),可以允许Megapack电池储能系统继续燃烧,同时消防人员在安全距离监测邻近的电池储能系统的安全情况。而最终带来的后果是212个Megapack电池储能系统中有两个被火灾烧毁,不到VBB电池储能项目的1%。  

在应急响应和清理工作之后,在2021年8月3日开始详细的火灾调查工作。VBB电池储能项目火灾的调查参与方包括当地监管部门、特斯拉公司、外部第三方工程师以及主题专家。其调查过程涉及分析VBB电池储能项目发生火灾的原因,以及火灾蔓延到相邻Megapack电池储能系统的根本原因。此外,鉴于这是Megapack电池储能系统迄今为止发生的第一次火灾事件,已经对应急响应进行了审查,以确定从这次火灾事件中吸取教训。  

本报告总结了这些调查和分析结果,由费希尔工程公司和储能安全服务商能源安全响应小组(ESRG)的专家编写。这是两家独立的工程和储能消防安全咨询机构。此外,该报告提供了从火灾中吸取的经验和教训,并强调了基于这些经验和教训而实施的程序、软件和硬件变更。  

事件时间表  

在火灾发生时,VBB电池储能项目在现场安装了大约212个Megapacks电池储能系统其中的一半。在火灾发生的当天,VBB电池储能项目正在进行例行测试和调试。在澳大利亚东部标准时间(AEST)2021年7月30日上午7:20开始调试和测试多个Megapack电池储能系统。其中一个Megapack电池储能系统(在此表示为MP-1)在当天并没有参与测试,因此通过钥匙锁开关人工关闭。在关闭MP-1时,该储能系统显示无异常情况。  

现场人员在上午10:00左右观察到MP-1储能系统冒出烟雾。  

VBB电池储能项目火灾事故时间表

现场工作人员对所有Megapack电池储能系统进行电气隔离,并联系当地消防局进行处理。

此后不久,消防人员抵达现场并在MP-1储能系统周围设置了安全边界。他们还开始按照特斯拉锂离子电池应急响应指南2(ERG)的建议对其附近用水冷却。其火势最终蔓延到MP-1相邻15厘米的Megapack电池储能单元(MP-2)。消防人员决定允许MP-1和MP-2自行烧毁,并且按照特斯拉的ERG中的建议没有直接向Megapack储能系统浇水。直到当天下午4:00(火灾开始之后的大约6小时),火势已经熄灭,消防人员在现场值守直到次日,并在接下来的三天内对该地点进行了监测,然后于2021年8月2日认为事故现场已得到控制,并移交给调查人员开始进行火灾调查。  

调查  

多方联合火灾调查于2021年8月3日开始。VBB电池储能系统的火灾调查过程涉及分析MP-1初始火灾的根本原因以及火灾蔓延到MP-2的根本原因。对MP-1和MP-2现场调查的调查方包括当地消防局、维多利亚州能源安全局(ESV)、维多利亚州工作安全局 (WSV)、特斯拉公司当地工程/服务团队以及当地第三方独立工程公司。除了事故发生后立即进行的现场记录工作之外,根本原因调查还包括特斯拉公司在美国加州总部和内华达州火灾测试设施进行的数据分析、热建模和物理测试(电气和火灾)。  

(1)火灾原因调查  

现场调查于2021年8月3日开始,并于2021年8月12日结束。此外对MP-1和MP-2进行记录、检查和保存以备将来检查。与此同时,分析了MP-1和MP-2的所有可用遥测数据(例如内部温度和故障警报),并进行了一系列电气故障和火灾测试。将现场调查结果、遥测数据分析、电气故障测试和火灾测试相结合之后,确定了2021年7月30日出现的一系列非常具体的可能导致火灾事件的故障因素和条件。  

(2)火灾起因及原因确定  

此次火灾事伯最有可能的根本原因是MP-1电池储能单元的液体冷却系统泄漏导致电池模块产生电弧。这导致锂离子电池发生热失控,随即起火并蔓延。  

在火灾原因调查中考虑了其他可能的火灾原因;然而,上述一系列事件是唯一符合迄今为止收集和分析的所有证据的火灾原因。  

(3)促成因素  

多种因素促成了这一事件。如果不存在这些促成因素,那么在升级为火灾事件之前,最初的故障状况可能已经被识别和中断(人工或自动)。这些促成因素包括:  

(1)Megapack电池储能系统的监控和数据采集(SCADA)系统需要24小时为新设备(即新的Megapack)建立连接,以提供完整的遥测数据功能和特斯拉运营人员进行的远程监控。由于VBB电池储能项目仍处于安装和调试阶段(即未投入运行),MP-1电池储能系统仅投入使用了13个小时,就在火灾发生当天早上用钥匙锁进行关闭。因此MP-1在当天并没有上线测试,这使得该储能系统无法在火灾发生当天上午将遥测数据(内部温度、故障警报等)传输到特斯拉公司的场外控制设施。  

(2)MP-1通过钥匙锁开关关闭,因为该储能系统在当天不需要进行调试和测试;然而,这一行动导致遥测系统、故障监控和电气故障安全设备被禁用或仅以有限的功能运行。这使得MP-1的一些安全功能无法有效发挥作用,不能在升级为火灾事件之前监控并中断电气故障。

(3)液体冷却剂泄露在电池上可能会导致启动火焰断路器电路的电源失效。如果电源出现故障,断路器无法接收到断开信号,也无法在升级为火灾事件之前中断电池的故障电流。  

火灾蔓延调查  

VBB电池储能项目的火灾调查过程不仅涉及分析MP-1初始火灾的根本原因,还包括分析火灾蔓延到MP-2的根本原因。Megapack电池储能单元被设计成彼此邻近安装,不会使火蔓延到相邻的电池储能单元。其在限制火势蔓延方面的设计主要依赖于Megapack储能系统集装箱的外部钢板,这种钢板可以充当电池散热器。有了这种隔热材料,Megapack电池储能单元之间的侧面和背面的间距接近15厘米,每个Megapack前面有2.4米宽的过道,如图1所示。这种产品间距在UL9540A单元级测试中得到验证。现场检查支持对MP-2和火灾测试的遥测数据(如内部温度)分析。而现场调查结果、遥测数据分析和火灾测试相结合,确定了Megapack电池储能系统可能发生火灾蔓延的情况。  

图1 VBB Megapack电池储能系统的布局(顶部)和火源区域(底部)  

在火灾发生时,从MP-1集装箱的顶部喷出的火焰受到风力的显著影响。当时记录的风速在20~30节(37公里/小时~56公里/小时)之间,这将从MP-1顶部的火焰推向MP-2顶部。MP-2在火焰灼烧下点燃了内部组件,值得注意的是,电池舱与Megapack电池储能系统顶部密封的塑料过压通风口一旦被点燃,就为火焰和热气提供了直接进入的通道。从而将MP-2的电池暴露在火灾和高温下最终失效并起火燃烧。  

调查期间考虑了其他可能的火灾蔓延根本原因;然而,上述事件顺序是唯一符合迄今为止收集和分析的所有证据的火灾蔓延情景。值得注意的是,当在MP-2的顶部内观察到火势时,MP-2的内部电池温度读数仅从40℃增加到41℃。在MP-2顶部观察到火势的同一时刻,大约上午11:57(火灾事件发生后约2小时),MP-2失去了通信并且没有额外的遥测数据对外传送。然而,鉴于MP-2在发生火灾两小时之后的内部电池温度仅上升了1℃,当MP-2的的顶部着火时,通过热传递穿过15厘米间隙的传播并不是火势蔓延的根本原因。此外,来自MP-2的遥测数据表明,Megapack的隔热材料可以在仅15厘米之外的相邻Megapack电池储能系统发生火灾时提供显著的热保护。  

促成因素  

调查表明,风是火势从MP-1蔓延到MP-2的主要促成因素。火灾发生时,记录当时的风速为20~30节(37公里/小时~56公里/小时)。起火时的风力条件将从MP-1顶部喷出的火焰推向MP-2顶部并灼烧。根据UL9540A在之前的产品测试或监管测试中未观察到这种类型的火焰行为。在UL9540A单元级测试中,测试期间允许的最大风速12为10.4节(19.3公里/小时);而VBB电池储能项目在火灾期间的风况则要大两到三倍。因此,似乎已发现Megapack的顶部设计(电池舱顶部的塑料过压通风口)存在火灾蔓延的弱点。而特斯拉公司在之前在产品或监管测试期间未发现这一弱点,但这个设计并不会使Megapack的UL9540A认证无效,因为火灾蔓延的原因主要是由于超出UL9540A测试方法范围的环境条件(风力过大)。

缓解措施  

对VBB电池储能系统火灾的调查发现了特斯拉公司的调试程序、电气故障保护装置和顶部设计中的几个漏洞。自从发生火灾以来,特斯拉公司实施了许多程序、固件和硬件缓解措施来解决这些差距。这些缓解措施已经应用于现有和未来的Megapack电池储能单元的安装,其中包括:  

(1)程序缓解  

·改进在Megapack组装和测试期间对冷却液系统泄漏的检查,以降低冷却液泄漏的可能性。

·将新Megapack的遥测设置连接时间从24小时减少到1小时,以确保新设备将遥测数据(内部温度、故障警报等)传输到特斯拉公司的控制设施进行远程监控。  

•在调试或操作期间避免操作Megapack的钥匙锁开关,除非正在维修该设备。这种程序缓解可确保在Megapack空闲时(例如在测试和调试期间),遥测、故障监控和电气故障安全设备(例如火焰断路器)处于活动状态。  

(2)固件缓解

•为冷却液系统的遥测数据添加了额外的警报以识别和响应(无论是人工或自动)以防止可能的冷却液泄漏。  

•无论钥匙锁开关位置或系统状态如何,都要保持所有电气安全保护装置处于激活状态。这种固件缓解允许电气安全保护设备(例如断路器)保持在激活模式,无论系统状态如何,都能在电池模块发生电气故障时启动。  

•主动监测和控制高温断路器的电源电路。如果发生电源故障(通过外部事件,例如冷却剂暴露或其他方式),Megapack将在其电源丢失之前自动启动火焰断路器。  

(3)硬件缓解  

•在所有Megapacks电池储能系统的项部安装新设计的隔热钢质通风罩。这些排气罩保护过压排气口免受直接火焰灼烧或热气侵入,从而使电池舱外壳与上方的火灾隔离。它们的性能通过一系列防火测试得到验证,包括对Megapack的单元级防火测试。排气罩安装在过压通风口的顶部,并将成为所有新Megapack电池储能单元的标准配置。对于现有的Megapacks,可以在现场改造排气罩。在撰写本报告时,特斯拉排气罩已经接近生产阶段,不久将在适用的Megapack现场进行改装。

(未完待续)

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关键字:储能事故调查

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