電池儲能系統或面臨一定弧閃危險
時間:2020-01-09 10:34來源:能源100 作者:綜合報道
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如今，隨著可再生能源的廣泛應用，電池儲能系統的部署需求顯著增長。雖然術發展迅速，但儲能系統設計仍處于起步階段。美國電氣和電子工程師協會（IEEE）發表了一篇題目為《大型電池儲能系統中的弧閃危害計算和緩解》的論文，對電池儲能系統設計的復雜性和所需的技術創新，以及缺乏有關短路電流計算和安全性的統一標準進行了闡述，從根本上說明了精確計算電池儲能系統產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狀況，而弧閃通常發生在帶電導體之間的電氣絕緣破壞或不能再承受施加電壓的時候。而大功率電器設備發生短路事故時產生電弧的能量也很高。
行業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正在發生的弧閃事件，光學傳感器和可調節的跳閘級別通過設置環境光線的閾值來減少跳閘的機率。
隨著鋰離子電池容量不斷增加，發生弧閃事件的風險也隨之增加。為了最大程度地利用每塊電池的容量，并提供更長的放電時間，儲能廠商正與電池供應商合作研究和開發提高電池的容量。
為了提高競爭力，并降低成本，必須減少弧閃。全球儲能市場正在迅速增長，一些調研機構預測，到2040年全球儲能市場的裝機容量將達到1,095 GW。在此期間，全球儲能投資將增長至6,200億美元。
當故障電流通過氣隙并產生高度電離的氣體時，就會發生弧閃。弧閃會產生比太陽表面溫度更高的溫度，其爆炸時速達到700英里/小時以上，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程度取決于故障電流、工作距離和電路中過電流保護裝置的斷開時間。
如果在480伏的電力系統中發生電流為20,000安的相間故障，那么產生的持續時間為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炸藥爆炸時釋放的能量為每克為2175焦耳，因此，一次電弧閃光相當于863克TNT炸藥爆炸。
根據美國職業安全與健康局（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，弧閃也會損壞電氣設備，并導致成本高昂的更換組件和電力系統停機時間。
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。將多個電池組的電力輸出釋放到匯流箱中時，它們還可以產生足夠的直流電壓來引發電弧。交流電源的電壓過零特性會幫助交流電產生的電弧自行熄滅，而由電池組產生的直流電弧則不會自動熄滅。
儲能系統的弧閃危險計算有所不同
幾乎每種類型的儲能系統都能快速釋放故障電流。但是，使用鋰離子電池的儲能系統具有更快的能量需求響應。
弧閃的危險嚴重程度是通過計算潛在的入射能量來確定的。
IEEE 1584指南（進行弧閃危險計算的指南）可用于確定電弧危險距離和入射能量。
與交流系統中的弧閃相比，對于直流弧閃的研究較少，也了解得更少。弧閃計算器可用于確定如何減少儲能設施中的入射能量。弧閃計算確定了最大可能的入射能量。但是，與只使用過電流保護裝置時所預期的相比，一些直觀上可能不明顯的因素可能會導致更高的入射能量水平：
電池壽命：隨著電池老化，其內部阻抗會增加。這會導致較低的閃弧電流，這實際上會導致較高的能量，因為過電流保護設備需要更長的時間才能工作。
充電狀態：部分耗盡的電池組可能不會產生足夠的短路電流熔斷保險絲或操作其他過流保護設備，但可能有足夠的電流產生電弧。
電池組：電池組的弧閃將從并聯的其他電池組供電。
電池柜將能量從柜門中導出。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難以自救。
電池儲能系統中的弧閃抑制
為了減輕弧閃的危害，弧閃繼電器檢測來自弧閃的閃光，并在幾毫秒內將跳閘信號發送到上游斷路器（如果是高質量的繼電器）。這樣可以防止電弧發展為全面的災難性事件。
為了安裝弧閃繼電器系統，將光傳感器安裝在設備的內部，內部還安裝逆變器及其相關的母線，而電源母線是引起電弧的起源。逆變器內部的功率半導體設備通常會發生故障，但其連接器可能會無法接地并引起弧閃。
弧光繼電器即使在電量低時也能提供可靠的保護。只使用弧閃繼電器而不是僅依靠過電流保護裝置，就可以為儲能系統在其整個生命周期內始終保持較低的入射能量。
可以通過使用弧閃繼電器監控和保護電池組，該繼電器將向將電池組與電源線斷開連接的裝置發送跳閘信號。在進行維護時，允許工作人員斷開電池組各部分的裝置進一步減少了可用的入射能量。
弧閃繼電器可以保護安裝和維護電池的工作人員，并避免或減少高昂的工傷費用，其中包括美國職業安全與健康局（OSHA）的罰款和訴訟。例如，美國職業安全與健康管理局通報的一起事故發生在一個風力渦輪機內部，并導致一名技術人員因電弧閃光而嚴重燒傷。因此遭受37.8萬美元的罰款。采用弧閃繼電器可以防止電池儲能設備的損壞。
電池儲能系統不僅僅是電源關鍵設備，還提供其他好處和輔助服務，其中包括負載均衡、調節儲備、輸電和配電基礎設施延遲以及頻率調節。這些好處可以提供電池儲能系統對公用事業公司的價值，而減少弧閃事件對于儲能部署至關重要。
(責任編輯：子蕊)
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