Page 81 - 电力与能源2024年第五期

张文杰，等：基于热释离子探测与直流快速灭弧的储能站安全提升技术 613

收集至热释离子火灾探测系统的核心设备——云
3 储能电池火灾预防方案设计
室中，经过雾化过程形成云状凝聚核。这种雾化
的云状产物具有变异性，尺寸介乎于纳米与微米 3.1 热释离子火灾极早期探测设计
之间，并且每立方厘米数量在数十万颗或更多聚 3.1.1 现有火灾预警系统缺陷
集度之间变化。当热释离子存在而且数量密度达 为有效减少锂电池火灾隐患，科研机构已从
多个层面开展了火灾预警技术的相关研究。这些
到预设标准时，热释离子火灾探测系统便会启动
自检程序，决定是否发送警告信号。因此，热释离 研究包括对电池火灾前烟雾的采集，以及电池电
压、温度和电流等关键数据的收集，并借助大数据
子火灾探测系统在数据中心的表现非常敏感，可
以提早数小时识别潜在火源。此外，热释离子检 技术提取火灾发生前的主要特征，以实现更高精
确度和效率的预警，有效遏制火灾扩散。作为消
测方法可以根据不同的燃烧物质区分燃烧逸散离
防火灾自动报警系统的组成部分，火灾检测仪负
子的种类，如氧离子、金属离子、有机物离子等。
责对现场环境的监测以识别火灾。这类设备包含
对于储能站轻金属燃烧占主导的情况，通过调整
了如感烟火灾探测器、感温火灾探测器、感光火灾
传感器云室对金属离子的敏感度，并优化后期算
探测器、烟温复合式火灾探测器以及气体火灾探
法，即可实现对锂电池储能站火灾的极高灵敏度
测器等，根据监控区域的大小，它们可以被划分为
极早期探测。
两大类：点型火灾探测器和线型火灾探测器。
2.2 直流故障快速开断技术
储能站电池组通常使用 1 kV 以下的低压直 传统的点式检测设备由于其较低的灵敏度而
流断路器。这些断路器往往是通过改造交流低压 受到诟病，而高灵敏度的烟雾探测器因仍旧采用
断路器，如增加灭弧栅、将交流原有三相断口串联 传统光电式光遮蔽原理（光遮断或散射方式），若
使用等方法，来实现直流开断。然而，这类方案普 将其调整至高灵敏状态，则可能会出现过多的错

遍存在开断速度慢、断路器触头寿命短的问题，开 误警报，最后不得不在降低灵敏度上作出让步，导
断故障电流的时间常常超过 100 ms 上，这使得故 致其实际表现与传统点式检测设备相当。此举并
未有效提升火灾检测效果，反而耗费了巨额资金
障点产生的高温足以引发持续性火灾。因此，在
既有直流断路器的基础上，通过设置新型灭弧电 用于购买高灵敏度的空气采样烟雾探测器。同
时，气流稀释烟雾及烟雾分层问题也使得传统点
路吸收电弧能量，从而缩短开断时间、降低开断过
程中的过电压，能进一步防范储能站火灾问题。 型甚至高灵敏度的烟雾传感器难以准确处理火灾
情况。只有当火源形成时，火焰传感器才能够识
需要注意的是，一般直流断路器的研究重点是清
除断口电弧，而对于储能站，更需要快速清除故障 别火灾，故更适用于可燃气体或液体火灾，但在空
间存在诸多遮挡物的情况下，火焰探测器无法及
点电弧，因此不能借鉴常见直流断路器叠加震荡、
时作出反应 ［10-11］ 。
分级缓慢开断等手段，必须力求降低故障电流幅
3.1.2 热释离子火灾预警方案设计
值，从而降低故障点电弧能量，避免火灾发生。
火灾极早期阶段指的是物质因过热而超越其
直流断路器熄灭电弧的方法主要有两种：方
材料所能忍受的阈值，进入氧化燃烧并产生碳烟
法一是拉长电弧，即使电弧电压大于电源所能提
的阶段。在火灾发生的极早期阶段（此时尚无烟粒
供的电压，从而无法维持电弧；方法二是增大回路
子产生）所出现的情况是热力适度增加，进而产生大
电阻，从而避免稳定燃烧点的出现，如下式所示：
量的不可见次微米粒子（约 0.002 μm）。火灾发展
L dI h = U S - RI h - U h （1）
dt 各个阶段空气中粒子的构成和数量见图 2。
式中 U S——电源电压； U h——电弧电压； I h—— 在正常阶段，空气中只有一般的悬浮粒子，每
回路电流； R——回路电阻。 立方厘米数量在 25 000～60 000 个；在极早期阶