Energetikos sistemos saugos problemos
Tobulėjant atsinaujinančiai energijai, energijos kaupimo sistemos vis dažniau naudojamos energetikos sistemose. Tačiau taip pat išryškėjo energijos kaupimo sistemų saugos klausimai.
Yra daug energijos kaupimo akumuliatorių tipų, įskaitant švino rūgšties akumuliatorius, ličio jonų akumuliatorius, natrio jonų baterijos, srauto baterijos ir natrio-sieros baterijos, kurių kiekviena pasižymi savitomis savybėmis ir tinka skirtingiems scenarijams. Tarp jų ličio baterijos tapo pagrindine technine kryptimi energijos kaupimo srityje dėl didelio energijos tankio, ilgo tarnavimo laiko, didelio efektyvumo ir greito reagavimo. 48 V 60 V 72 V ličio jonų akumuliatoriai plačiai naudojami elektrinėse transporto priemonėse, plataus vartojimo elektronikos ir didelio masto energetikos sistemų, skatinant susijusių technologijų ir taikymų plėtrą.
Tačiau ličio jonų akumuliatoriai taip pat turi tam tikrų didelių iššūkių, ypač kalbant apie terminį stabilumą. Esant ekstremalioms sąlygoms, tokioms kaip aukšta temperatūra, perkrovimas ar trumpasis jungimas, ličio jonų akumuliatoriai gali patirti terminį išsiveržimą, dėl kurio gali kilti gaisras arba kilti pavojus. ličio baterijos sprogimasDėl šių pavojų saugai ličio jonų akumuliatoriams energijos kaupimo sistemose kyla didelė sprogimo rizika, todėl jie tampa viena pagrindinių su sauga susijusių nelaimingų atsitikimų priežasčių.
Remiantis nepilna statistika, per pastaruosius penkerius metus (2019–20241 m.) visame pasaulyje energijos kaupimo elektrinėse įvyko dešimtys gaisrų ar sprogimų. Iš jų ličio jonų akumuliatorių sukeltos avarijos sudarė net 80 %. Šios avarijos ne tik sukėlė turto nuostolių, bet ir gali kelti pavojų asmeniniam saugumui, todėl plačiai atkreiptas dėmesys ir atliekami tyrimai ličio jonų akumuliatorių saugos srityje. Siekdama įveikti šį iššūkį, pramonė aktyviai ieško techninių sprendimų, kaip pagerinti ličio jonų akumuliatorių terminį stabilumą, ir kuria naujas energijos kaupimo akumuliatorių technologijas, kad būtų pasiektas didesnis saugumas ir patikimumas.
EPRI Pekino „Jimei Dahongmen“ 25 MWh nuolatinės srovės fotovoltinės kaupimo ir įkrovimo integruotos elektrinės projekto avarijų analizės ataskaita
Remiantis Kinijos elektros energijos tyrimų instituto Pekino Fengtai rajono energijos kaupimo elektrinės gaisrų ir sprogimų avarijų tyrimo ataskaita, Pekino Jimei Dahongmen elektrinėje balandžio 16 d. įvyko avarija. Ataskaitoje išvardytos aštuonios avarijos priežastys:
- Energijos kaupimo baterijų saugos kokybė
- Energijos kaupimo sistemos elektrinė topologija
- Akumuliatoriaus valdymo sistema (BMS)
- Kabelių ir laidų išdėstymas vietoje
- Elektros stoties priešgaisrinės saugos projektavimas
- Elektros stoties stebėjimo, ankstyvojo perspėjimo ir gaisro gesinimo sistemos
- Meteorologiniai ir aplinkos veiksniai
- Personalo veiklos ir valdymo sistema vietoje
Remiantis praneštais incidentais, energijos kaupimo sistemų saugos avarijų priežastis paprastai galima suskirstyti į keturias pagrindines rūšis: būdingą akumuliatorių riziką, išorinę saugos riziką, nepakankamą saugos projektavimą ir apsaugą bei eksploatavimo valdymo veiksnius.
1. Įgimta baterijų saugos rizika:
- Gamybos defektai: Vidinius trumpuosius jungimus gali sukelti tokios problemos kaip metalo šerpetojimas arba prasta elektrodų danga gamybos metu.
- Ličio dendritai: Ličio dendritų susidarymas ląstelėje gali pradurti separatorių ir sukelti vidinius trumpuosius jungimus.
- Baterijos senėjimas: natūralus baterijų senėjimas gali pakenkti bendram energijos kaupimo sistemos saugumui.
2. Išorinės saugos rizikos:
- Elektros pavojai: tai per didelis įkrovimas, per didelis iškrovimas ir išoriniai trumpieji jungimai.
- Mechaniniai pavojai: pažeidimai, atsiradę dėl sutraiškymo ar įsiskverbimo (pvz., aštrių daiktų).
- Elektromagnetiniai pavojai: Elektromagnetiniai trukdžiai gali sutrikdyti normalų sistemos veikimą.
- Terminis pavojus: Pernelyg aukšta arba per žema temperatūra gali neigiamai paveikti akumuliatoriaus veikimą ir saugumą.
- Sprogimo pavojai: Tam tikromis sąlygomis baterijos gali sprogti.
- Netinkamos aplinkos sąlygos: Nepalankios aplinkos sąlygos gali kelti rimtą pavojų energijos kaupimo sistemos saugai.
3. Nepakankamas saugos projektavimas ir apsauga:
- Nepakankamas izoliacijos stebėjimas: Nepakankama izoliacijos apsauga, pvz., nuolatinės srovės kontaktoriaus gedimai, šynų izoliacijos pažeidimai arba sudegę kintamosios srovės įvesties laidai, gali pabloginti izoliacijos veikimą ir sukelti lanko gedimus bei gaisrus.
- Prastas sistemos apsaugos koordinavimas: Neefektyvus apsaugos sistemų koordinavimas gali pakenkti bendram saugumui.
- Sistemos valdymo gedimai: Šilumos valdymo ar kitų valdymo sistemų gedimai gali sukelti perkaitimą arba akumuliatoriaus gaisrą.
- Pagalbinės įrangos gedimai: Pagalbinių įrenginių gedimai taip pat gali turėti įtakos bendram saugojimo sistemos saugumui.
4. Veiklos ir valdymo sistemos veiksniai:
- Sistemų koordinavimo stoka: Nepakankamas akumuliatorių valdymo sistemos (BMS), energijos valdymo sistemos (PMS) ir energijos valdymo sistemos (EMS) ryšys ir koordinavimas arba nekoordinuotas procesų valdymo sistemos (PCS) ir akumuliatorių apsaugos sistemų veikimas gali sukelti sistemos lygmens konfliktus. Pavyzdžiui, PCS paleidimas iš naujo nepatikrinus akumuliatoriaus būsenos po gedimo gali sukelti AC/DC sąsajos problemų.
- Valdymo sistemos gedimai: tai ydingi valdymo modeliai, prasta aplinkos kontrolė (pvz., per didelė drėgmė ar dulkės) ir nepakankamas gedimų pranešimas, dėl kurių gali būti atidėta techninė priežiūra ir padidinta saugos rizika.
- Netinkamas energijos kaupimo stočių eksploatavimas ir priežiūra: prastas valdymas ir priežiūra po diegimo gali sukelti neišspręstų eksploatavimo problemų, kurios gali peraugti į rimtą pavojų saugai.
Rizikos identifikavimas energijos kaupimo sistemose
Terminio išbėgimo pavojus
Terminis išsiveržimas reiškia būseną, kai akumuliatoriaus vidinis šilumos generavimo greitis gerokai viršija jo šilumos išsklaidymo greitį. Dėl to sistemoje greitai kaupiasi šiluma, kurios negalima efektyviai išleisti, todėl galiausiai prarandama temperatūros kontrolė ir gali kilti gaisras ar sprogimas.
Akumuliatoriaus šiluminio išsiveržimo procesas paprastai vyksta taip: dėl mechaninio ar elektrinio pažeidimo vienas elementas pernelyg įkaista. Dėl šio perkaitimo reiškinio akumuliatoriaus temperatūra pakyla ir prasideda šiluminio išsiveržimo stadija, kuri sukelia šiluminį išsiveržimą. Šiluminio išsiveržimo proceso metu išsiskiria degios dujos ir dūmai, akumuliatorius pradeda degti ir sukelia grandininę reakciją, kuri galiausiai gali sukelti gaisrą ar net sprogimą energijos kaupimo elektrinėje.
Be akumuliatoriaus senėjimo ir vidinių defektų, prie šiluminio išsijungimo gali prisidėti ir šie veiksniai:
- Per didelis įkrovimas arba per didelis iškrovimas: akumuliatoriaus įkrovimas arba iškrovimas viršijant numatytąsias veikimo ribas.
- Kritinis jungties gedimas: elektros jungčių taškų gedimas, dėl kurio gali kilti pavojus saugai.
- Valdymo sistemos gedimas: Akumuliatoriaus valdymo sistema (BMS) nesugeba efektyviai stebėti ir valdyti akumuliatoriaus būklės.
- Gamybos defektai: problemos, tokios kaip vidiniai trumpieji jungimai ar kiti defektai gamybos proceso metu.
- Baterijos senėjimas: Laikui bėgant, baterijos veikimas blogėja, todėl gali atsirasti vidinių trumpųjų jungimų ar kitų gedimų.
- Elementų apsaugos įtaisų gedimas: Apsaugos įtaisai gali deformuotis arba sugesti, taip pakenkdami akumuliatoriaus saugumui.
- Veikimas aukštoje arba žemoje temperatūroje: ekstremalios temperatūros sąlygos neigiamai veikia akumuliatoriaus saugą ir veikimą.
- Baterijos deformacija ir nuotėkis: Baterijos korpuso deformacija arba vidinių skysčių nuotėkis.
- Dujų nuotėkis arba degių dujų išleidimas: Degimo metu baterijos gali išskirti degias dujas, kurios kelia papildomą pavojų.
Elektriniai pavojai
Elektros pavojai yra viena rimčiausių saugos grėsmių energijos kaupimo sistemose. Kadangi energijos kaupimo sistemų talpa ir įtampa toliau didėja, sistemos įtampa palaipsniui kilo nuo žemesnių lygių iki 1500 V nuolatinės srovės. Elektros saugos požiūriu bet kokia įtampa, viršijanti 60 V nuolatinės srovės, laikoma pavojinga, o atsitiktinis kontaktas su įtampingosiomis dalimis gali sukelti elektros smūgio riziką.
Todėl energijos kaupimo sistemos turi turėti veiksmingas elektros izoliacijos priemones, kad būtų išvengta tiesioginio ar netiesioginio kontakto su elektros komponentais eksploatacijos metu. Pavyzdžiui, elektros smūgio rizika, kylanti dėl sumažėjusios izoliacijos varžos. Izoliacijos varža rodo izoliacinių medžiagų vientisumą; kai kabeliai ar jungtys yra pažeisti, sensta arba izoliacijos sluoksnis yra susidėvėjęs, izoliacijos varža gali sumažėti. Tokiais atvejais pažeidus izoliacijos sluoksnį, gali būti atidengti kabelių viduje esantys laidininkai, todėl gali atsirasti nuotėkio srovės. Šis nuotėkis padidina elektros smūgio riziką priežiūros personalui.
Be to, energijos kaupimo sistemose paprastai yra daug pagalbinių elektros įrenginių, o įrengimo aplinka dažnai yra sudėtinga. Netikėti įvykiai, tokie kaip aukšta įtampa, didelės srovės (pvz., žaibas ar viršįtampiai) arba įrangos ir kabelių senėjimas, dėl kurių sugenda apsauginiai elementai, gali sukelti apsauginių funkcijų sutrikimus arba nenormalią izoliaciją, dėl ko gali kilti elektros smūgis ir kiti saugos incidentai.
Funkcinės saugos pavojai: Funkcinė sauga yra svarbi energijos kaupimo sistemos saugos dalis dėl rizikos, kurią sukelia valdomos įrangos ir su ja susijusių sistemų gedimas ar negalavimas.
Netinkama darbo aplinka:
Energijos kaupimo sistemų rizikos vertinimas
Energijos kaupimo sistemų sauga yra išsamus ir sudėtingas klausimas, taikomas visam elektrocheminių energijos kaupimo sistemų gyvavimo ciklui, t. y. nuo energijos kaupimo sistemos koncepcinio projektavimo ir kūrimo etapo, sistemos gamybos etapo, produkto eksploatavimo ir naudojimo etapo, aptarnavimo ir priežiūros etapo iki galutinio išmontavimo etapo.
Energijos kaupimo sistemos saugos rizika gali priklausyti nuo daugelio veiksnių, įskaitant įrengimo vietą, chemines medžiagas ir dydį / mastą (pvz., elektros energiją), todėl ją reikia atitinkamai įvertinti. Saugi sistemos vietaSaulės energijos akumuliatorių kaupimo sistemos gali būti naudojamos namuose, pramoninių ir komercinių pritaikymų didelio masto tinklo sistemoms; šias rizikas reikia atitinkamai įvertinti.
Atliekant sistemos rizikos analizę, IEC 62933-5-1 standartas siūlo daug metodų: „iš viršaus į apačią“ ir „iš apačios į viršų“ analizės metodus, tokius kaip įprasta FMEA analizė, gedimų medžio analizė, HAZOP analizė ir STAMP. Taikant keletą analizės metodų, siekiant nustatyti galimas rizikas, o tada projektuojant saugos sistemą ir kuriant elektronines grandines, saugos apsaugos mechanizmui sumažinti priemones, kad pasiektų priimtiną lygį.
Energijos kaupimo sistemų (ESS) rizikos mažinimo priemonės
Saugos klausimai yra pagrindinė produkto kokybės riba, o energijos kaupimo sistemų saugos užtikrinimas tapo pagrindiniu iššūkiu tvariai energijos kaupimo pramonės plėtrai. Dėl energijos kaupimo produktų ypatumų jų saugumas turi būti pasiektas derinant kelias saugos funkcijas. Kaip aprašyta ISO/EC 51 vadove, energijos kaupimo projektavimo procese imamasi rizikos mažinimo priemonių, vadinamų „būdingomis“, „saugos projektavimu“, „apsauginiais įtaisais“ ir „galutinio vartotojo informacija“. Papildomos priemonės naudojimo etapui (gyvavimo ciklo saugos valdymas) taip pat aprašytos ISO/IEC 51 vadove.
Energijos kaupimo sistemų projektavimas turi prasidėti ne tik nuo techninio sistemos ir komponentų lygio, bet ir atsižvelgiant į tai, kaip iš anksto numatyti ir nustatyti galimas rizikas, užtikrinti aktyvią apsaugą ir spręsti problemas gedimų atveju. Net ir ekstremaliais atvejais galima užtikrinti personalo ir turto saugumą taikant „iš apačios į viršų“ principą.
Energijos kaupimo sistemų (ESS) vidinės saugos projektavimas
- Protingas posistemių pasirinkimas
- Apsaugos funkcijos projektavimas
- Sistemos funkcijų saugos projektavimas
- Konstrukcijų projektavimas
- Elektros projektavimas
- Priešgaisrinės apsaugos projektavimas
- Vėdinimo ir sprogimo mažinimo projektavimas ir kt.
Garantijos ir apsaugos priemonės
- Vidiniai posistemių gedimai negali išplisti į posistemio išorę;
- Aukštos įtampos sistema, apsauganti nuo pavojingo nuotolinio veikimo;
- Visi komponentai, kuriuose dėl pavienių izoliacijos gedimų yra pavojinga įtampa, turi būti įžeminti ir apsaugoti nuo žaibo pagal atitinkamus standartus;
- Akumuliatoriaus posistemės išorinėje jungtyje turi būti įrengta apsauga nuo viršsrovės;
- Energijos kaupimo sistemos posistemių prijungimo gedimai neturi sukelti pavojingų situacijų, o akumuliatorių pakrovimas ir iškrovimas turi būti atliekamas naudojant tinkamą kėlimo įrangą;
- Sistemos korpusas arba laikiklis turi būti pagamintas iš nedegių medžiagų; Akumuliatoriaus zona, įkrovimo įrangos zona ir atjungimo bei iškrovimo grandinės zona sistemos viduje turi būti padalinta į ugniai atsparias zonas;
- Pagalbinės, valdymo ir ryšio sistemos gedimų apsauga: turi atitikti vieno gedimo saugos reikalavimus, pavojus nekils net ir nutrūkus arba svyravus elektros tiekimui;
- Apsauga nuo pavojų aplinkai: lauko energijos kaupimo sistemos turi atitikti bent IPX4 standartą, o montuojant prie jūros, būtina apsauga nuo druskos purslų;
- Tiek nuolatinės, tiek kintamosios srovės pusės turi turėti įžeminimo apsaugą ir signalizacijos funkcijas;
- Kai akumuliatorius perkraunamas, turi įsijungti garsinis ir vaizdinis signalas: turi būti pranešta apie viršsrovės situaciją akumuliatoriaus posistemėje;
- Sistema turi būti aprūpinta degių dujų aptikimo sistema ir teikti garsinius bei vaizdinius signalus;
- Sistema turi būti aprūpinta vėdinimo sistema ir atitikti šiuos reikalavimus: vėdinimo sistema turi užtikrinti tinkamą temperatūrą spintelės viduje: kai natūrali ventiliacija nepakankama, turi būti įrengtas stiprus ištraukimas; ventiliacijos angos turi užkirsti kelią ugnies plitimui ir vandens patekimui;
Eksploatavimas ir priežiūra, darbuotojų mokymas, galutiniams vartotojams teikiama informacija
- Naudotojams teikiama saugos informacija: įspėjamieji ženklai ir signalai, etiketės, nurodančios pavojingas dalis objekte, garso ir šviesos signalizacijos įtaisai, saugos projektavimo proceso schema;
- Siekiant apsaugoti objekte dirbančių darbuotojų saugą, darbas vietoje turi būti atliekamas pirmenybę teikiant nuotoliniam darbui: turėtų būti parengtas saugos avarinis planas; išorinėje akumuliatorių posistemio jungtyje turi būti įrengta apsauga nuo viršsrovės;
- Savininkui turėtų būti pateikti naudojimo ir priežiūros vadovai, o gamintojas arba sistemų integratorius turi parengti reguliarios priežiūros planą;
- Gamintojas turi pateikti nurodymus dėl personalo, valdančio įrangą ar saugos sistemas, gebėjimų ir leidimų reikalavimų;
