浅谈电动汽车充电桩火灾处置方法
2024-04-23 12:56:17 来源：安科瑞电子商务（上海）有限公司
摘要：目前在我国将“碳中和”“碳达峰”作为近年能源发展战略的大背景下，各部门、行业对新能源的重视程度日益提高，新能汽车产业链蓬勃发展。当前新能源汽车主要使用能源为电能，通过电网布设，对汽车用电池进行充电。由于国内新能源汽车产业发展速度较快，相应的行业安全标准，特别是消防标准还未完善，同时依托高能量密度电池提供电力的生产供能模式又有较高的火灾风险性。本文拟对新能源汽车充电桩火灾进行处置技战术研究，旨在提高此类火灾处置效率，减少财产损失，为新能源汽车火灾事故处置提供参考和借鉴。
关键词：新能源汽车；基础设施；充电桩；灭火处置；带电设备
0.引言
随着新能源汽车的普及，其充电设施的安全问题也逐渐凸显。充电桩是新能源汽车的重要配套设施，一旦发生火灾，不仅会造成财产损失，还可能对人员生命安全构成威胁。因此，对新能源汽车充电桩火灾处置技战术进行研究，对于保障公共安全和推动新能源汽车产业健康发展具有重要意义。本文旨在探讨新能源汽车充电桩火灾处置的技战术问题，通过分析火灾原因、燃烧特性、灭火方法等方面，提出针对性的处置策略和措施。
1.行业发展背景
我国的能源产业结构是“富煤贫油”，且光伏、水力、风力发电产业完善，基础较好，相比于传统的化石能源，无论是从能源安全的角度，还是在减少碳排放的国际背景下，都更适宜发展以电力为核心的新能源产业。新能源产业蓬勃发展，新能源汽车保有量不断攀升，充电桩作为电网至用户终端的接口，也随之，呈高速建设状态。
然而充电桩规模、数量的飞速发展带来了一系列火灾隐患，充电设施火灾数量频发，个别还造成较严重的财产损失和社会影响。2022年国家发展改革委等部门出台了《关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》，其中明确提出“强化汽车、电池和充电设施生产企业产品质量安全责任，严格建设、设计、施工、监理单位建设安装安全把关”“建立火灾事故调查处理、溯源机制，鼓励相关安全责任保险推广应用”，进一步压实了充电桩厂家、使用单位的消防安全责任，并探索实行火灾事故溯源机制。
2.充电桩类型分析
充电基础设施即充电桩可根据其充电模式、规模、安装地点的防护等级进行分类，其火灾危险性也各不相同。
2.1充电模式分类
1）交流充电桩
交流充电桩即输出交流电为电动汽车进行充电，一般安装在固定场所，与电网相连，为电动汽车车载充电设备提供可控制的单向交流电源或三相交流电源的供电。由于电流的限制，交流充电桩不能直接为汽车电池充电，要通过连接电动汽车车载充电设备进行转换。由于车载充电设备功率较小（一般为7kW、10kW、15kW等），交流充电速度较慢，一般需要6~10h才能充满。
2）直流充电桩
直流充电桩即内置了交流直流转换装置的充电桩，与电网相连，体积较大，一般集中固定安装。直流充电桩可直接为电动汽车的电池充电，采用三相四线制或三相三线制供电，输出的电压和电流可调范围大，直接输出大功率直流电为电动汽车电池充电，功率较大（一般大于120kW），1~2h即可为电动汽车充满电。
3）安全性能差别
对于交流充电，充电功率较小，对电池的损耗也相应较小，同时会在即将充满电时给电池组各单个电池进行电量均衡，保证每个电池电量都是满电，对保护电池和延长电池寿命有一定的好处；对于直流充电，充电功率大，充电速度快，过快的充电速度会导致电池组内电量不平衡，对单节电池的刺激和冲击也较大，若无进一步平衡电量的技术措施，长期使用会有热失衡的风险，容易发生泄露、火灾、爆炸事故。
2.2充电桩规模分类
根据充电区域的规模、数量以及安装管理方式，可将充电区域分为集中建设的充电站和独立充电桩两类。
充电站一般按照《电动汽车充电站设计规范》（GB50966—2014）标准进行建设，规划合理，且远离重点单位，具有较完善的固定消防设施和配套管理制度，一般安排专人进行运营管理，并在政府部门有备案、接受定期检查。
独立充电桩一般设立在公共建筑或居民住宅的地下车库中，主要为个人使用的电动车进行供能充电，依照个人申请—物业、电力部门审批—报请安装的程序进行设置。单个充电桩自发性的火灾危险性不高，主要风险点在于车主未按规程操作以及相关的防护措施、配套设施不完善，另外设施有被外力破坏的风险。
2.3安装地点分类
根据安装地点的不同，充电桩可以分为室外充电桩和室内充电桩两类。对于室外充电桩，由于需要面临较恶劣的露天环境和天气影响，需要在设计、安装时注意绝缘性防护，同时提高防雷避雷等级以及相应的安全防护等级。室内充电桩为节约空间，一般采用壁挂式安装，如若发生火灾，可操作空间较小，容易引发邻近车辆着火。
3.充电桩火灾处置技战术研究
充电桩火灾多发生于新能源汽车充电使用过程中，尽管电动汽车起火的原因很复杂，但其中一个主要原因是锂电池自燃。研究此类火灾处置应同时考虑带电设施和电动汽车两种火灾场景。
3.1国外对锂电池及带电火灾灭火剂的研究
美国联邦航空管理局（FederalAviationAdministration，FAA）开展了处置锂电池带电火灾用灭火剂有效性筛选实验，并通过火灾模拟实验和灭火降温效果实验评价了它们的有效性。结果表明，水基灭火剂具有良好的降温效果。随着灭火剂的用量增加，降温效果更为显著。即使是小用量的水基灭火剂对冷却效果的影响也有显著意义。但非水基灭火剂的降温效果并不明显，随着灭火剂的用量增加、冷却能力变化不大。水基灭火剂的冷却能力由大至小依次为AF-31、AF-21、A-B-D和Novec123。
在对灭火剂冷却效果进行实验研究的基础上，美国联邦航空局开展了新能源汽车锂电池火灾实验。实验采用18650型锂离子电池（电池容量为2600mA·h）。实验在管式加热器中进行，当一块电池被加热至100℃时，使用己烷加热器。当电池内部发生热失衡，开始燃烧后，使用不同种类的灭火剂进行灭火。灭火结束后，加热器关闭，记录了大约20min的灭火过程。结果表明，锂电池的所有热失控都是在没有引火源的情况下发生并蔓延的，只有500mL的液体灭火剂才能有效抑制锂离子电池火灾的扩散，非液体灭火剂对锂离子电池火灾蔓延没有控制作用。
3.2国内对锂电池及带电火灾灭火剂的研究
为了降低新能源汽车火灾的风险，中国船级社武汉研究所[4]开展了锂电池灭火剂灭火效果的研究，分析了二氧化碳、干粉和七氟丙烷的灭火效果，灭火时间、再燃率和烟气效果三个方面进行了综合研究。二氧化碳灭火剂的灭火效果不佳，导致火灾复燃。干粉灭火剂对锂电池带电火灾的抑制效果很小，甚至会引发二次爆炸。对电池灭火效果*佳的是七氟丙烷。
中国科学技术大学[5]开展了干粉、二氧化碳等灭火剂的灭火有效性研究。发现七氟丙烷具有良好的效果，但也出现了火灾复燃的情况。
应急管理部天津消防研究所用干粉、二氧化碳和水成膜泡沫灭火剂及细水雾技术进行灭火效果测试。结果表明二氧化碳、干粉、3%水成膜泡沫可扑灭18650型锂离子电池的明火。但由于锂离子电池的热失控，会持续释放热量、可燃气体和氧气。上述几种灭火剂均不能完全扑灭火灾。全部出现了复燃的现象。随着灭火剂冷却能力的提高，复燃出现的时间延长。
3.3细水雾添加剂在带电火灾中的灭火应用
关于细水雾添加剂技术应用在充电桩及锂电池火灾的研究文献较少。现有的研究主要集中在西方国家，主要应用了F-500微胶囊材料技术，这是一种新型的高效灭火、防爆和环保技术，由美国危险品控制技术公司（HazardControlTechnologies,Inc.,HCT）开发。2009年，罗伯特·博世有限公司（BOSCH）测试了水的、泡沫、粉末和F-500对锂电池起火的灭火效果。测试发现，F-500是锂电池起火的首选灭火剂。
2013年4月，德国机动车监督协会（DeutscherKraftfahrzeug-berwachungs-Verein，DEKRA）选择了三种灭火剂对比研究了电动汽车动力锂电池火灾事故的灭火效果。根据车辆锂电池的电气结构，DEKRA使用正庚烷点燃锂电池，并建立了火灾模型。他们比较了F-500、水、粉末灭火剂对扑灭锂电池火灾的作用。实验人员在正庚烷引燃电池约20min后开始灭火。通过仿真实验，DEKRA发现水可以成功扑灭电动汽车的锂电池火灾。但是还有许多其他问题，如耗水量大、灭火时间长等。F-500灭火剂可以提高扑灭锂电池火灾的效率，含1%F-500灭火剂的灭火时间只有14s，大大降低了用水量。
3.4充电桩火灾处置流程
1）接警调度。指挥中心接警后，按照事故等级就近调派力量赶赴现场。指挥中心值班作战助理、安全助理查阅发生事故充电桩（站）规模、型号，将相关安全注意事项实时通报给现场指挥员。同时调集电力、环保、公安、气象等联动部门协同进行处置。出警力量应携带电绝缘装具、绝缘剪断钳、漏电探测仪、测温仪、可燃气体探测仪以及破拆装备。出JC辆编成应包括大容量水罐消防车和抢险救援消防车。
2）风险评估。现场指挥员在采取处置措施前应查明充电桩起火部位基本情况以及被困人员情况。查明火势对周边车辆、建筑、人员的威胁情况。查明火灾地点附近危险源情况。判断发生事故充电桩、车辆电路系统受损情况以及现场是否切断电源。遇有突发情况导致事故扩大或被困人员增加，应及时报告指挥中心请求增援。
3）现场管控。依照事故发生等级以及气象情况划分警戒区域，疏散无关人员。利用可燃气体探测仪和测温仪实时监控风险，适时调整警戒范围。
4）安全防护。现场处置人员应着全套个人防护装备，佩戴空气呼吸器，并根据现场带电情况使用绝缘装备。
5）处置措施。对有人员被困的情况，应果断坚持“救人为主，科学施救”原则，快速救人，并同步开展灭火、破拆、排烟措施。无法实施断电操作时，应使用喷雾水或接地使用直流水进行冷却降温。有条件的应同步开启气体或干粉灭火装置。根据现场情况，判断是否采用吊升、稳固措施。充电桩高压供电源附近一般有保护性构件，发生火灾时难以直达火点，应使用大量的水对构件外部进行降温操作。
在明火扑灭后，应持续使用大流量直流水进行降温，直至带电设施降至安全温度。
4.限流式保护器在电气防火中的应用
4.1限流式保护器的设计
电气防火限流式保护器可有效克服传统断路器、空气开关和监控设备存在的短路电流大、切断短路电流时间长、短路时产生的电弧火花大，以及使用寿命短等当弊端，发生短路故障时，能以微秒级速度快速限制短路电流以实现灭弧保护，从而能显著减少电气火灾事故，保障使用场所人员和财产的安全。
安科瑞ASCP200-1和ASCP300系列电气防火限流式保护器。
ASCP200-1电气防火限流式保护器的主要元件是固态开关，不同于传统家用的空气开关（微断）。我们知道，传统空气开关的断开是一种机械运动过程，分断时间需要几十毫秒(一般30～50ms)，带负载断开时通常伴随有电弧的产生。而固态开关的断开则是依靠半导体内部的载流子运动实现，分断时间微秒级，速度快，无电弧产生。
如图11所示，当发生短路故障时，传统空气开关在电流升至C点时才能动作，且无法瞬时切断电流，而固态开关则可以在电流升至B点时即瞬间切断短路电流。
图11短路故障前后电流与时间关系图
从流过电阻的电流热量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，传统空气开关与固态开关在短路时所释放的能量差别可以达到数千倍之多。因此当装配限流式保护器的回路发生短路故障时，就可以避免电弧的产生，从而有效降低了电气火灾。
ASCP300系列电气防火限流式保护器是三相限流式保护器，*大额定电流为125A。可应用于电动车充电站的线路保护。
4.2ASCP200-1功能特点
A）短路保护功能，线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护；
B）过载保护功能，线路持续过载时，保护器限流保护；
C）表内超温保护功能，保护器内部器件工作温度过高时，保护器限流保护；
D）过/欠压保护功能，线路欠压或过压时，保护器告警或限流保护（可设）；
E）电缆温度监测功能，被测线缆温度超过报警设定值时，保护器告警或限流保护（可设）；
F）漏电流监测功能，线路漏电超过报警设定值时，保护器告警或限流保护（可设）；
G）通讯功能，保护器配置1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到安科瑞Acrel-6000安全云平台，或第三方监控软件或平台，从而实现远程监控。
4.3ASCP200-1技术参数
| 项目 |
指标 |
| 输入电压 |
AC85~265V，45~65HZ |
| 功耗 |
功耗≤5VA（无负载情况下） |
| 额定电流 |
0~63A可设置 |
| 短路保护时间 |
<150μs |
| 过载保护 |
动作范围：110%~140%；动作延时：3~60s |
| 过压保护 |
动作范围：100%~120%；动作延时：0~60s |
| 欠压保护 |
动作范围：60%~100%；动作延时：0~60s |
| 线缆温度监测 |
监测范围 |
-20~120℃（精度±2℃） |
| 报警设置 |
动作范围：45~110℃；动作延时：0~60s |
| 漏电流监测 |
监测范围 |
20~1000mA（精度：±2%或±5mA） |
| 报警设置 |
动作范围：30~1000mA；动作延时：0~60s |
| 故障记录 |
20条记录（故障类型、故障值、故障时间） |
| 报警方式 |
声光报警（其中声音可以通过消音按键消除） |
| 通讯 |
1路RS485接口，Modbus-RTU协议；1路2G无线通讯 |
安装使
用环境 |
工作场所 |
无雨雪直接侵袭、无腐蚀性气体、粉尘，无剧烈震动的场所 |
| 工作环境温度 |
-10~+55℃ |
| 相对湿度 |
空气的相对湿度不超过95% |
| 海拔高度 |
≤2000m |
4.4应用方案图示
ASCP200-1型电气防火限流式保护器建议安装在入户开关下端，额定电流值根据入户开关的具体规格进行设置，典型应用示意图如图2所示：
图2ASCP200-1家用防火解决方案安装示意图
4.5ASCP300功能特点
A）短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发出声光报警信号。
B）过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间超过动作时间（3~60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号。
C）表内超温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时，保护器实施超温限流保护，并发出声光报警信号。
D）过欠压保护功能。当保护器检测到线路电压欠压或过压时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
E）配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
F）断相保护功能。当保护器检测到线路断相时，保护器发出声光报警信号，启动限流保护。
G）漏电流监测功能。当被监测的线路漏电超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
H）通讯功能。保护器具有1路RS485接口，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。监控后台可以是安科瑞Acrel-6000/B电气火灾监控主机，也可以是安科瑞Acrel-6000安全用电管理云平台，或第三方监控软件或平台。
4.6ASCP300技术参数
4.7使用注意事项
在选用限流式保护器时，限流式保护器的设定的额定电流应该与其前一级的断路器的额定电流保持一致。例如，当限流式保护器输入端断路器的额定电流为32A时，应将限流式保护器的额定电流设置为32A。为保障限流式保护器的正常使用，严禁将其使用于与其前端断路器的额定电流不匹配的配电线路中。
ASCP200系列采用限流式保护器采用壁挂式安装，可以挂墙安装，也可以安装在箱体内，应确保安装场所无滴水、腐蚀性化学气体和沉淀物质，并注意环境温度和通风散热。
为确保可靠连接，接线时应按接线图进行，同时为了防止接头处接触电阻过大而导致局部过热，也避免因接触不良而导致保护器工作不正常，线头应采用合适大小的U形冷压头压接后，再插入保护器相应端子上并将螺钉拧紧压实。
保护器内部带有交流电，严禁非相关人士擅自打开产品外壳。保护器在使用期间，若被保护线路发生短路或过载故障而被限流保护时，保护器仍处于带电状态，不允许随意碰触用电线路的金属部分。待检查线路，并排除故障后，长按保护器的复位按键约2秒钟，使保护器恢复正常运行时。
当保护器因超温而发生限流保护时，则可能是因为负载电流过大，环境温度过高或通风散热不良等原因导致，可通过加强通风等措施，等保护器温度降下来后，再长按复位键，使保护器复位，恢复正常运行。
5.结语
当前新能源充电设施行业在我国呈暴发式发展，相应领域的灭火救援技战术研究也应当作为长期课题持续下去。结合国内外相关研究，笔者认为，充电桩火灾处置的技战术应当结合带电火灾扑救和破拆抢险救援两部分内容，根据灾情类型开发研制专用的器材装备与战术方法，如大面积轻质灭火毯、阻断灭火剂等。做到技战结合，才能快速有效地控制灾情，保护人民生命财产安全。
参考文献
[1]徐权,张煜.新能源汽车火灾处置对策研究[J].中国应急救援,2022(1):54-57.
[2]陆时正.电动汽车火灾特性及灭火技术研究[J].消防界(电子版),2022,8(15):28-30.
[3]付沛松,国家消防救援局昆明训练总队.新能源汽车充电桩火灾处置技战术研究.
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.
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图11短路故障前后电流与时间关系图从流过电阻的电流热量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，传统空气开关与固态开关在短路时所释放的能量差别可以达到数千倍之多。因此当装配限流式保护器的回路发生短路故障时，就可以避免电弧的产生，从而有效降低了电气火灾。
图2ASCP200-1家用防火解决方案安装示意图4.5ASCP300功能特点
4.7使用注意事项在选用限流式保护器时，限流式保护器的设定的额定电流应该与其前一级的断路器的额定电流保持一致。例如，当限流式保护器输入端断路器的额定电流为32A时，应将限流式保护器的额定电流设置为32A。为保障限流式保护器的正常使用，严禁将其使用于与其前端断路器的额定电流不匹配的配电线路中。
