任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：目前在我國將“碳中和”“碳達峰”作為近年能源發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，各部門、行業(yè)對新能源的重視程度日益提高，新能汽車產(chǎn)業(yè)鏈蓬勃發(fā)展。當前新能源汽車主要使用能源為電能，通過電網(wǎng)布設(shè)，對汽車用電池進行充電。由于國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快，相應(yīng)的行業(yè)安全標準，特別是消防標準還未完善，同時依托高能量密度電池提供電力的生產(chǎn)供能模式又有較高的火災(zāi)風險性。本文擬對新能源汽車充電樁火災(zāi)進行處置技戰(zhàn)術(shù)研究，旨在提高此類火災(zāi)處置效率，減少財產(chǎn)損失，為新能源汽車火災(zāi)事故處置提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；基礎(chǔ)設(shè)施；充電樁；滅火處置；帶電設(shè)備

0.引言

隨著新能源汽車的普及，其充電設(shè)施的安全問題也逐漸凸顯。充電樁是新能源汽車的重要配套設(shè)施，一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅會造成財產(chǎn)損失，還可能對人員生命安全構(gòu)成威脅。因此，對新能源汽車充電樁火災(zāi)處置技戰(zhàn)術(shù)進行研究，對于保障公共安全和推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。本文旨在探討新能源汽車充電樁火災(zāi)處置的技戰(zhàn)術(shù)問題，通過分析火災(zāi)原因、燃燒特性、滅火方法等方面，提出針對性的處置策略和措施。

1.行業(yè)發(fā)展背景

我國的能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是“富煤貧油”，且光伏、水力、風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)完善，基礎(chǔ)較好，相比于傳統(tǒng)的化石能源，無論是從能源安全的角度，還是在減少碳排放的國際背景下，都更適宜發(fā)展以電力為核心的新能源產(chǎn)業(yè)。新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，新能源汽車保有量不斷攀升，充電樁作為電網(wǎng)至用戶終端的接口，也隨之，呈高速建設(shè)狀態(tài)。

然而充電樁規(guī)模、數(shù)量的飛速發(fā)展帶來了一系列火災(zāi)隱患，充電設(shè)施火災(zāi)數(shù)量頻發(fā)，個別還造成較嚴重的財產(chǎn)損失和社會影響。2022年發(fā)展改革委等部門出臺了《關(guān)于進一步提升電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實施意見》，其中明確提出“強化汽車、電池和充電設(shè)施生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量安全責任，嚴格建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理單位建設(shè)安裝安全把關(guān)”“建立火災(zāi)事故調(diào)查處理、溯源機制，鼓勵相關(guān)安全責任保險推廣應(yīng)用”，進一步壓實了充電樁廠家、使用單位的消防安全責任，并探索實行火災(zāi)事故溯源機制。

2.充電樁類型分析

充電基礎(chǔ)設(shè)施即充電樁可根據(jù)其充電模式、規(guī)模、安裝地點的防護等級進行分類，其火災(zāi)危險性也各不相同。

2.1充電模式分類

1）交流充電樁

交流充電樁即輸出交流電為電動汽車進行充電，一般安裝在固定場所，與電網(wǎng)相連，為電動汽車車載充電設(shè)備提供可控制的單向交流電源或三相交流電源的供電。由于電流的限制，交流充電樁不能直接為汽車電池充電，要通過連接電動汽車車載充電設(shè)備進行轉(zhuǎn)換。由于車載充電設(shè)備功率較小（一般為7kW、10kW、15kW等），交流充電速度較慢，一般需要6~10h才能充滿。

2）直流充電樁

直流充電樁即內(nèi)置了交流直流轉(zhuǎn)換裝置的充電樁，與電網(wǎng)相連，體積較大，一般集中固定安裝。直流充電樁可直接為電動汽車的電池充電，采用三相四線制或三相三線制供電，輸出的電壓和電流可調(diào)范圍大，直接輸出大功率直流電為電動汽車電池充電，功率較大（一般大于120kW），1~2h即可為電動汽車充滿電。

3）安全性能差別

對于交流充電，充電功率較小，對電池的損耗也相應(yīng)較小，同時會在即將充滿電時給電池組各單個電池進行電量均衡，保證每個電池電量都是滿電，對保護電池和延長電池壽命有一定的好處；對于直流充電，充電功率大，充電速度快，過快的充電速度會導(dǎo)致電池組內(nèi)電量不平衡，對單節(jié)電池的刺激和沖擊也較大，若無進一步平衡電量的技術(shù)措施，長期使用會有熱失衡的風險，容易發(fā)生泄露、火災(zāi)、爆炸事故。

2.2充電樁規(guī)模分類

根據(jù)充電區(qū)域的規(guī)模、數(shù)量以及安裝管理方式，可將充電區(qū)域分為集中建設(shè)的充電站和獨立充電樁兩類。

充電站一般按照《電動汽車充電站設(shè)計規(guī)范》（GB50966—2014）標準進行建設(shè)，規(guī)劃合理，且遠離重點單位，具有較完善的固定消防設(shè)施和配套管理制度，一般安排專人進行運營管理，并在部門有備案、接受定期檢查。

獨立充電樁一般設(shè)立在公共建筑或居民住宅的地下車庫中，主要為個人使用的電動車進行供能充電，依照個人申請—物業(yè)、電力部門審批—報請安裝的程序進行設(shè)置。單個充電樁自發(fā)性的火災(zāi)危險性不高，主要風險點在于車主未按規(guī)程操作以及相關(guān)的防護措施、配套設(shè)施不完善，另外設(shè)施有被外力破壞的風險。

2.3安裝地點分類

根據(jù)安裝地點的不同，充電樁可以分為室外充電樁和室內(nèi)充電樁兩類。對于室外充電樁，由于需要面臨較惡劣的露天環(huán)境和天氣影響，需要在設(shè)計、安裝時注意絕緣性防護，同時提高防雷避雷等級以及相應(yīng)的安全防護等級。室內(nèi)充電樁為節(jié)約空間，一般采用壁掛式安裝，如若發(fā)生火災(zāi)，可操作空間較小，容易引發(fā)鄰近車輛著火。

3.充電樁火災(zāi)處置技戰(zhàn)術(shù)研究

充電樁火災(zāi)多發(fā)生于新能源汽車充電使用過程中，盡管電動汽車起火的原因很復(fù)雜，但其中一個主要原因是鋰電池自燃。研究此類火災(zāi)處置應(yīng)同時考慮帶電設(shè)施和電動汽車兩種火災(zāi)場景。

3.1國外對鋰電池及帶電火災(zāi)滅火劑的研究

美國聯(lián)邦航空管理局（FederalAviationAdministration，F(xiàn)AA）開展了處置鋰電池帶電火災(zāi)用滅火劑有效性篩選實驗，并通過火災(zāi)模擬實驗和滅火降溫效果實驗評價了它們的有效性。結(jié)果表明，水基滅火劑具有良好的降溫效果。隨著滅火劑的用量增加，降溫效果更為顯著。即使是小用量的水基滅火劑對冷卻效果的影響也有顯著意義。但非水基滅火劑的降溫效果并不明顯，隨著滅火劑的用量增加、冷卻能力變化不大。水基滅火劑的冷卻能力由大至小依次為AF-31、AF-21、A-B-D和Novec123。

在對滅火劑冷卻效果進行實驗研究的基礎(chǔ)上，美國聯(lián)邦航空局開展了新能源汽車鋰電池火災(zāi)實驗。實驗采用18650型鋰離子電池（電池容量為2600mA·h）。實驗在管式加熱器中進行，當一塊電池被加熱至100℃時，使用己烷加熱器。當電池內(nèi)部發(fā)生熱失衡，開始燃燒后，使用不同種類的滅火劑進行滅火。滅火結(jié)束后，加熱器關(guān)閉，記錄了大約20min的滅火過程。結(jié)果表明，鋰電池的所有熱失控都是在沒有引火源的情況下發(fā)生并蔓延的，只有500mL的液體滅火劑才能有效抑制鋰離子電池火災(zāi)的擴散，非液體滅火劑對鋰離子電池火災(zāi)蔓延沒有控制作用。

3.2國內(nèi)對鋰電池及帶電火災(zāi)滅火劑的研究

為了降低新能源汽車火災(zāi)的風險，中國船級社武漢研究所[4]開展了鋰電池滅火劑滅火效果的研究，分析了二氧化碳、干粉和七氟丙烷的滅火效果，滅火時間、再燃率和煙氣效果三個方面進行了綜合研究。二氧化碳滅火劑的滅火效果不佳，導(dǎo)致火災(zāi)復(fù)燃。干粉滅火劑對鋰電池帶電火災(zāi)的抑制效果很小，甚至?xí)l(fā)二次爆炸。對電池滅火效果*佳的是七氟丙烷。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)[5]開展了干粉、二氧化碳等滅火劑的滅火有效性研究。發(fā)現(xiàn)七氟丙烷具有良好的效果，但也出現(xiàn)了火災(zāi)復(fù)燃的情況。

應(yīng)急管理部天津消防研究所用干粉、二氧化碳和水成膜泡沫滅火劑及細水霧技術(shù)進行滅火效果測試。結(jié)果表明二氧化碳、干粉、3%水成膜泡沫可撲滅18650型鋰離子電池的明火。但由于鋰離子電池的熱失控，會持續(xù)釋放熱量、可燃氣體和氧氣。上述幾種滅火劑均不能完quan撲滅火災(zāi)。全部出現(xiàn)了復(fù)燃的現(xiàn)象。隨著滅火劑冷卻能力的提高，復(fù)燃出現(xiàn)的時間延長。

3.3細水霧添加劑在帶電火災(zāi)中的滅火應(yīng)用

關(guān)于細水霧添加劑技術(shù)應(yīng)用在充電樁及鋰電池火災(zāi)的研究文獻較少?，F(xiàn)有的研究主要集中在西方，主要應(yīng)用了F-500微膠囊材料技術(shù)，這是一種新型的高效滅火、防爆和環(huán)保技術(shù)，由美國危險品控制技術(shù)公司（HazardControlTechnologies,Inc.,HCT）開發(fā)。2009年，羅伯特·博世有限公司（BOSCH）測試了水的、泡沫、粉末和F-500對鋰電池起火的滅火效果。測試發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-500是鋰電池起火的首xuan滅火劑。

2013年4月，德國機動車監(jiān)督協(xié)會（DeutscherKraftfahrzeug-überwachungs-Verein，DEKRA）選擇了三種滅火劑對比研究了電動汽車動力鋰電池火災(zāi)事故的滅火效果。根據(jù)車輛鋰電池的電氣結(jié)構(gòu)，DEKRA使用正庚烷點燃鋰電池，并建立了火災(zāi)模型。他們比較了F-500、水、粉末滅火劑對撲滅鋰電池火災(zāi)的作用。實驗人員在正庚烷引燃電池約20min后開始滅火。通過仿真實驗，DEKRA發(fā)現(xiàn)水可以成功撲滅電動汽車的鋰電池火災(zāi)。但是還有許多其他問題，如耗水量大、滅火時間長等。F-500滅火劑可以提高撲滅鋰電池火災(zāi)的效率，含1%F-500滅火劑的滅火時間只有14s，大大降低了用水量。

3.4充電樁火災(zāi)處置流程

1）接警調(diào)度。指揮接警后，按照事故等級就近調(diào)派力量趕赴現(xiàn)場。指揮值班作戰(zhàn)助理、安全助理查閱發(fā)生事故充電樁（站）規(guī)模、型號，將相關(guān)安全注意事項實時通報給現(xiàn)場指揮員。同時調(diào)集電力、環(huán)保、公安、氣象等聯(lián)動部門協(xié)同進行處置。出警力量應(yīng)攜帶電絕緣裝具、絕緣剪斷鉗、漏電探測儀、測溫儀、可燃氣體探測儀以及破拆裝備。出警che輛編成應(yīng)包括大容量水罐消防車和搶險救援消防車。

2）風險評估?，F(xiàn)場指揮員在采取處置措施前應(yīng)查明充電樁起火部位基本情況以及被困人員情況。查明火勢對周邊車輛、建筑、人員的威脅情況。查明火災(zāi)地點附近危險源情況。判斷發(fā)生事故充電樁、車輛電路系統(tǒng)受損情況以及現(xiàn)場是否切斷電源。遇有突發(fā)情況導(dǎo)致事故擴大或被困人員增加，應(yīng)及時報告指揮請求增援。

3）現(xiàn)場管控。依照事故發(fā)生等級以及氣象情況劃分警戒區(qū)域，疏散無關(guān)人員。利用可燃氣體探測儀和測溫儀實時監(jiān)控風險，適時調(diào)整警戒范圍。

4）安全防護?，F(xiàn)場處置人員應(yīng)著全套個人防護裝備，佩戴空氣呼吸器，并根據(jù)現(xiàn)場帶電情況使用絕緣裝備。

5）處置措施。對有人員被困的情況，應(yīng)果斷堅持“救人一，科學(xué)施救”原則，快速救人，并同步開展滅火、破拆、排煙措施。無法實施斷電操作時，應(yīng)使用噴霧水或接地使用直流水進行冷卻降溫。有條件的應(yīng)同步開啟氣體或干粉滅火裝置。根據(jù)現(xiàn)場情況，判斷是否采用吊升、穩(wěn)固措施。充電樁高壓供電源附近一般有保護性構(gòu)件，發(fā)生火災(zāi)時難以直達火點，應(yīng)使用大量的水對構(gòu)件外部進行降溫操作。

在明火撲滅后，應(yīng)持續(xù)使用大流量直流水進行降溫，直至帶電設(shè)施降至安全溫度。

4.限流式保護器在電氣防火中的應(yīng)用

4.1限流式保護器的設(shè)計

電氣防火限流式保護器可有效克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發(fā)生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現(xiàn)滅弧保護，從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場所人員和財產(chǎn)的安全。

安科瑞ASCP200-1和ASCP300系列電氣防火限流式保護器。

ASCP200-1電氣防火限流式保護器的主要元件是固態(tài)開關(guān)，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關(guān)（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關(guān)的斷開是一種機械運動過程，分斷時間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開時通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開關(guān)的斷開則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運動實現(xiàn)，分斷時間微秒級，速度快，無電弧產(chǎn)生。

如圖11所示，當發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)空氣開關(guān)在電流升至C點時才能動作，且無法瞬時切斷電流，而固態(tài)開關(guān)則可以在電流升至B點時即瞬間切斷短路電流。

圖11短路故障前后電流與時間關(guān)系圖

從流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統(tǒng)空氣開關(guān)與固態(tài)開關(guān)在短路時所釋放的能量差別可以達到數(shù)千倍之多。因此當裝配限流式保護器的回路發(fā)生短路故障時，就可以避免電弧的產(chǎn)生，從而有效降低了電氣火災(zāi)。

ASCP300系列電氣防火限流式保護器是三相限流式保護器，*大額定電流為125A。可應(yīng)用于電動車充電站的線路保護。

4.2ASCP200-1功能特點

A）短路保護功能，線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護；

B）過載保護功能，線路持續(xù)過載時，保護器限流保護；

C）表內(nèi)超溫保護功能，保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器限流保護；

D）過/欠壓保護功能，線路欠壓或過壓時，保護器告警或限流保護（可設(shè)）；

E）電纜溫度監(jiān)測功能，被測線纜溫度超過報警設(shè)定值時，保護器告警或限流保護（可設(shè)）；

F）漏電流監(jiān)測功能，線路漏電超過報警設(shè)定值時，保護器告警或限流保護（可設(shè)）；

G）通訊功能，保護器配置1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺，或三方監(jiān)控軟件或平臺，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

4.3ASCP200-1技術(shù)參數(shù)

4.4應(yīng)用方案圖示

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶開關(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶開關(guān)的具體規(guī)格進行設(shè)置，典型應(yīng)用示意圖如圖2所示：

圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖

4.5ASCP300功能特點

A）短路保護功能。保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

B）過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續(xù)時間超過動作時間（3~60秒可設(shè)）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

C）表內(nèi)超溫保護功能。當保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器實施超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

D）過欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓欠壓或過壓時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預(yù)先設(shè)置是否啟動限流保護。

E）配電線纜溫度監(jiān)測功能。當被監(jiān)測線纜溫度超過報警設(shè)定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預(yù)先設(shè)置是否啟動限流保護。

F）斷相保護功能。當保護器檢測到線路斷相時，保護器發(fā)出聲光報警信號，啟動限流保護。

G）漏電流監(jiān)測功能。當被監(jiān)測的線路漏電超過報警設(shè)定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預(yù)先設(shè)置是否啟動限流保護。

H）通訊功能。保護器具有1路RS485接口，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。監(jiān)控后臺可以是安科瑞Acrel-6000/B電氣火災(zāi)監(jiān)控主機，也可以是安科瑞Acrel-6000安全用電管理云平臺，或三方監(jiān)控軟件或平臺。

4.6ASCP300技術(shù)參數(shù)

4.7使用注意事項

在選用限流式保護器時，限流式保護器的設(shè)定的額定電流應(yīng)該與其前一級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應(yīng)將限流式保護器的額定電流設(shè)置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線路中。

ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內(nèi)，應(yīng)確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學(xué)氣體和沉淀物質(zhì)，并注意環(huán)境溫度和通風散熱。

為確保可靠連接，接線時應(yīng)按接線圖進行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導(dǎo)致局部過熱，也避免因接觸不良而導(dǎo)致保護器工作不正常，線頭應(yīng)采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應(yīng)端子上并將螺釘擰緊壓實。

保護器內(nèi)部帶有交流電，嚴禁非專業(yè)人士擅自打開產(chǎn)品外殼。保護器在使用期間，若被保護線路發(fā)生短路或過載故障而被限流保護時，保護器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障后，長按保護器的復(fù)位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復(fù)正常運行時。

當保護器因超溫而發(fā)生限流保護時，則可能是因為負載電流過大，環(huán)境溫度過高或通風散熱不良等原因?qū)е?，可通過加強通風等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復(fù)位鍵，使保護器復(fù)位，恢復(fù)正常運行。

5.結(jié)語

當前新能源充電設(shè)施行業(yè)在我國呈暴發(fā)式發(fā)展，相應(yīng)領(lǐng)域的滅火救援技戰(zhàn)術(shù)研究也應(yīng)當作為長期課題持續(xù)下去。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究，筆者認為，充電樁火災(zāi)處置的技戰(zhàn)術(shù)應(yīng)當結(jié)合帶電火災(zāi)撲救和破拆搶險救援兩部分內(nèi)容，根據(jù)災(zāi)情類型開發(fā)研制器材裝備與戰(zhàn)術(shù)方法，如大面積輕質(zhì)滅火毯、阻斷滅火劑等。做到技戰(zhàn)結(jié)合，才能快速有效地控制災(zāi)情，保護人民生命財產(chǎn)安全。

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作者介紹

任運業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司。