淺談電動汽車充電樁火災處置方法

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風險性。本文擬對新能源汽車充電樁火災進行處置技戰(zhàn)術(shù)研究，旨在提高此類火災處置效率，減少財產(chǎn)損失，為新能源汽車火災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，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處置的技戰(zhàn)術(shù)問題，通過分析火災原因、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隱患，充電設(shè)施火災數(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?。ㄒ话銥?kW、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、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，可操作空間較小，容易引發(fā)鄰近車輛著火。

3.充電樁火災處置技戰(zhàn)術(shù)研究

充電樁火災多發(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雜，但其中一個主要原因是鋰電池自燃。研究此類火災處置應同時考慮帶電設(shè)施和電動汽車兩種火災場景。

3.1國外對鋰電池及帶電火災滅火劑的研究

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用滅火劑有效性篩選實驗，并通過火災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的擴散，非液體滅火劑對鋰離子電池火災蔓延沒有控制作用。

3.2國內(nèi)對鋰電池及帶電火災滅火劑的研究

為了降低新能源汽車火災的風險，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，導致火災復燃。干粉滅火劑對鋰電池帶電火災的抑制效果很小，甚至會引發(fā)二次爆炸。對電池滅火效果*佳的是七氟丙烷。

中國科學技術(shù)大學[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)了火災復燃的情況。

應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。全部出現(xiàn)了復燃的現(xiàn)象。隨著滅火劑冷卻能力的提高，復燃出現(xiàn)的時間延長。

3.3細水霧添加劑在帶電火災中的滅火應用

關(guān)于細水霧添加劑技術(shù)應用在充電樁及鋰電池火災的研究文獻較少?，F(xiàn)有的研究主要集中在西方，主要應用了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，并建立了火災模型。他們比較了F-500、水、粉末滅火劑對撲滅鋰電池火災的作用。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。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)情況導致事故擴大或被困人員增加，應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。現(xiàn)場處置人員應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，應果斷堅持“救人一，科學施救"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，應使用噴霧水或接地使用直流水進行冷卻降溫。有條件的應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)生火災時難以直達火點，應使用大量的水對構(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。

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?？蓱糜陔妱榆嚦潆娬镜木€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)，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉淀物質(zhì)，并注意環(huán)境溫度和通風散熱。

為確保可靠連接，接線時應按接線圖進行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導致局部過熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應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，長按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時。

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，再長按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。

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，相應領(lǐng)域的滅火救援技戰(zhàn)術(shù)研究也應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，充電樁火災處置的技戰(zhàn)術(shù)應當結(jié)合帶電火災撲救和破拆搶險救援兩部分內(nèi)容，根據(jù)災情類型開發(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情，保護人民生命財產(chǎn)安全。

參考文獻

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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊.2022.05版.

作者介紹

任運業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司。