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電池儲(chǔ)能系統(tǒng)或面臨一定弧閃危險(xiǎn)

時(shí)間:2020-01-09 10:34來源:能源100 作者:綜合報(bào)道

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如今，隨著可再生能源的廣泛應(yīng)用，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署需求顯著增長(zhǎng)。雖然術(shù)發(fā)展迅速，但儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍處于起步階段。美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）發(fā)表了一篇題目為《大型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的弧閃危害計(jì)算和緩解》的論文，對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和所需的技術(shù)創(chuàng)新，以及缺乏有關(guān)短路電流計(jì)算和安全性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了闡述，從根本上說明了精確計(jì)算電池儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生的電弧電流到迄今為止一直都很困難的原因。

電弧閃光是電弧引起能量釋放的危險(xiǎn)狀況，而弧閃通常發(fā)生在帶電導(dǎo)體之間的電氣絕緣破壞或不能再承受施加電壓的時(shí)候。而大功率電器設(shè)備發(fā)生短路事故時(shí)產(chǎn)生電弧的能量也很高。

行業(yè)廠商提供的弧閃繼電器通過尋找閃光和電流的組合來檢測(cè)正在發(fā)生的弧閃事件，光學(xué)傳感器和可調(diào)節(jié)的跳閘級(jí)別通過設(shè)置環(huán)境光線的閾值來減少跳閘的機(jī)率。

隨著鋰離子電池容量不斷增加，發(fā)生弧閃事件的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。為了最大程度地利用每塊電池的容量，并提供更長(zhǎng)的放電時(shí)間，儲(chǔ)能廠商正與電池供應(yīng)商合作研究和開發(fā)提高電池的容量。

為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，并降低成本，必須減少弧閃。全球儲(chǔ)能市場(chǎng)正在迅速增長(zhǎng)，一些調(diào)研機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2040年全球儲(chǔ)能市場(chǎng)的裝機(jī)容量將達(dá)到1,095 GW。在此期間，全球儲(chǔ)能投資將增長(zhǎng)至6,200億美元。

當(dāng)故障電流通過氣隙并產(chǎn)生高度電離的氣體時(shí)，就會(huì)發(fā)生弧閃。弧閃會(huì)產(chǎn)生比太陽表面溫度更高的溫度，其爆炸時(shí)速達(dá)到700英里/小時(shí)以上，爆炸壓力超過2000磅/平方英寸（甚至高于霰彈槍）。工作人員面臨的危險(xiǎn)程度取決于故障電流、工作距離和電路中過電流保護(hù)裝置的斷開時(shí)間。

如果在480伏的電力系統(tǒng)中發(fā)生電流為20,000安的相間故障，那么產(chǎn)生的持續(xù)時(shí)間為200毫秒的電弧釋放的能量為192萬焦耳（480V×20,000 A×200ms）。作為比較，TNT炸藥爆炸時(shí)釋放的能量為每克為2175焦耳，因此，一次電弧閃光相當(dāng)于863克TNT炸藥爆炸。

根據(jù)美國職業(yè)安全與健康局（OSHA）的研究，弧閃事故造成的傷亡約占電氣事故的80％，即使沒有工作人員受傷，弧閃也會(huì)損壞電氣設(shè)備，并導(dǎo)致成本高昂的更換組件和電力系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。

從直流電池組的組合輸出饋入逆變器的高電壓直流電源存在弧閃危險(xiǎn)。將多個(gè)電池組的電力輸出釋放到匯流箱中時(shí)，它們還可以產(chǎn)生足夠的直流電壓來引發(fā)電弧。交流電源的電壓過零特性會(huì)幫助交流電產(chǎn)生的電弧自行熄滅，而由電池組產(chǎn)生的直流電弧則不會(huì)自動(dòng)熄滅。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的弧閃危險(xiǎn)計(jì)算有所不同

幾乎每種類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)都能快速釋放故障電流。但是，使用鋰離子電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更快的能量需求響應(yīng)。

弧閃的危險(xiǎn)嚴(yán)重程度是通過計(jì)算潛在的入射能量來確定的。

IEEE 1584指南（進(jìn)行弧閃危險(xiǎn)計(jì)算的指南）可用于確定電弧危險(xiǎn)距離和入射能量。

與交流系統(tǒng)中的弧閃相比，對(duì)于直流弧閃的研究較少，也了解得更少。弧閃計(jì)算器可用于確定如何減少儲(chǔ)能設(shè)施中的入射能量。弧閃計(jì)算確定了最大可能的入射能量。但是，與只使用過電流保護(hù)裝置時(shí)所預(yù)期的相比，一些直觀上可能不明顯的因素可能會(huì)導(dǎo)致更高的入射能量水平：

電池壽命：隨著電池老化，其內(nèi)部阻抗會(huì)增加。這會(huì)導(dǎo)致較低的閃弧電流，這實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致較高的能量，因?yàn)檫^電流保護(hù)設(shè)備需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能工作。

充電狀態(tài)：部分耗盡的電池組可能不會(huì)產(chǎn)生足夠的短路電流熔斷保險(xiǎn)絲或操作其他過流保護(hù)設(shè)備，但可能有足夠的電流產(chǎn)生電弧。

電池組：電池組的弧閃將從并聯(lián)的其他電池組供電。

電池柜將能量從柜門中導(dǎo)出。因此，在弧閃事故中，大型電池柜使工作人員暴露在更多的入射能量下，這既難以控制故障，也可能使工作人員在典型的兩秒鐘窗口內(nèi)難以自救。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的弧閃抑制

為了減輕弧閃的危害，弧閃繼電器檢測(cè)來自弧閃的閃光，并在幾毫秒內(nèi)將跳閘信號(hào)發(fā)送到上游斷路器（如果是高質(zhì)量的繼電器）。這樣可以防止電弧發(fā)展為全面的災(zāi)難性事件。

為了安裝弧閃繼電器系統(tǒng)，將光傳感器安裝在設(shè)備的內(nèi)部，內(nèi)部還安裝逆變器及其相關(guān)的母線，而電源母線是引起電弧的起源。逆變器內(nèi)部的功率半導(dǎo)體設(shè)備通常會(huì)發(fā)生故障，但其連接器可能會(huì)無法接地并引起弧閃。

弧光繼電器即使在電量低時(shí)也能提供可靠的保護(hù)。只使用弧閃繼電器而不是僅依靠過電流保護(hù)裝置，就可以為儲(chǔ)能系統(tǒng)在其整個(gè)生命周期內(nèi)始終保持較低的入射能量。

可以通過使用弧閃繼電器監(jiān)控和保護(hù)電池組，該繼電器將向?qū)㈦姵亟M與電源線斷開連接的裝置發(fā)送跳閘信號(hào)。在進(jìn)行維護(hù)時(shí)，允許工作人員斷開電池組各部分的裝置進(jìn)一步減少了可用的入射能量。

弧閃繼電器可以保護(hù)安裝和維護(hù)電池的工作人員，并避免或減少高昂的工傷費(fèi)用，其中包括美國職業(yè)安全與健康局（OSHA）的罰款和訴訟。例如，美國職業(yè)安全與健康管理局通報(bào)的一起事故發(fā)生在一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)部，并導(dǎo)致一名技術(shù)人員因電弧閃光而嚴(yán)重?zé)齻Ｒ虼嗽馐?7.8萬美元的罰款。采用弧閃繼電器可以防止電池儲(chǔ)能設(shè)備的損壞。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅僅是電源關(guān)鍵設(shè)備，還提供其他好處和輔助服務(wù)，其中包括負(fù)載均衡、調(diào)節(jié)儲(chǔ)備、輸電和配電基礎(chǔ)設(shè)施延遲以及頻率調(diào)節(jié)。這些好處可以提供電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)公用事業(yè)公司的價(jià)值，而減少弧閃事件對(duì)于儲(chǔ)能部署至關(guān)重要。

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：電池電池儲(chǔ)能

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