多种气体传感器在电池储能电站安全预警中的应用

12月31日19时许，历经11小时紧张操作，国内首座大型构网型储能电站——湖北荆门新港储能电站工程成功送电、并网运行。

项目位于荆门市沙洋县工业园区新港大道和工业十二路交汇处，总容量50兆瓦/100兆瓦时，其中一期投产12.6兆瓦/26.8兆瓦时。该项目由国网湖北电力、国网湖北综合能源公司负责项目建设管理，国网荆门供电公司承担建设任务，负责后期运行维护。

为积极推动沙洋地区新型电力系统建设，国网湖北电力试点建设荆门新港储能电站。作为构网型储能站先行示范工程，新港储能站设计有并网检测装置，具备贯量、阻尼控制、一次调频、大扰动特性等测试功能，配置16台PCS升压一体机，具备1.5倍/10S的暂态过载能力，通过部署大型储能站自主运行控制策略，可以独立支撑电网，实现对电网侧储能暂-稳态联合控制与自主调节，提升区域电网的稳定性。

全容量投运后的该储能电站将充分发挥“能量海绵”作用，通过低谷时段充电、高峰时段放电，每天最高可提供约100兆瓦时错峰电量，极大缓解用电高峰期间的变电站供电压力，也为迎峰度冬电力保供增添了一份保障。按一户家庭3千瓦负荷计算，相当于可以同时满足1万户家庭一天的用电需求。

将电能大规模储存起来,进行灵活稳定调用，一直是电力系统努力的方向。近年来,随着电池储能技术的高速发展，储能电站的建设也在稳步开展，如湖北、湖南、江苏、河南等地均有电池储能电站并网运行。电池储能作为大规模储能系统的重要形式之一，具有调峰、填谷、调频、调相和事故备用等用途。与常规电源相比，大规模储能电站不仅能够适应负荷的快速变化，使电力系统的运行更加安全、稳定，还可以优化电源结构,实现节能降耗和绿色环保，提高总体经济效益。电站的建成只是开始，如何安全运行、维护电站，实现电站的高效稳定运行是关键。

电池储能电站是用大批蓄电池，把谷期中电网富余的电能储存起来集中高效运转，在峰期再重新送回电网，缓解供电紧张局面的设施。
电力系统中配置电池储能电站，不仅可以提高电网的调峰能力，实现深度调峰，而且具有占地面积 小、反应时间快等优点，提升了电网的负荷承载，可为电网安全稳定运行提供重要的支撑。

最常见的储能电站是抽水型储能站，但该设施对场地要求较高,建设周期较长，因此发展受到了一定的制约。电池储能技术经过多年的发展，取得了实质性的突破，尤其在成本方面。

据行业分析，锂离子电池成本未来会继续下降。当前电网侧的储能技术仍处在发展中，标准化、规范化程度低，且构成复杂，虽然发展前景可观，但道阻且长，尤其是电池储能电站的现场运行、维护、检修及在线监测技术，仍需不断完善，以确保电网安全稳定运行。

储能电池及管理系统组成

电能储存的方式主要分为 4 种:电池型储能、电感器型储能、电容器型储能和其他类型储能。电池型储能相较于其他类型,具有容量大、安装便捷、安全性高等优点，在储能系统中应用较广。

储能电池主要用于调峰调频电力辅助服务、 可再生能源并网、微电网等领域。绝大多数储能装置无需移动，因此储能用锂离子电池对于能量密度并没有太高的要求。

对于电池材料，要注意膨胀率、能量密度、电池材料性能均匀性等，以追求整个储能设备的长寿命和低成本以及安全性，这里就需要储能安全监测系统的参与。

储能电站的监测系统包括电池、BMS、PCS、空调、消防、安防、气体监测和其他设备等，数字技术、物联网、大数据、区块链等高新技术的发展，为储能电站的监控系统提供了技术支撑。借助数据信息的力量，实时监控电站状态，并多途径实时通知，可帮助工作人员快速预警、排除故障，实现少人值守甚至无人值守。

准确监测要基于灵敏的感知能力，因此BMS内每个区域需要设置了传感器。此外，还对监测结果进行实时诊断和校验，一旦出现异常，会启动故障报警，以确保 BMS 的感知能力始终处于灵敏状态。

电池储能电站中安全预警的气体传感器
电池储能电站的整体运行管理是一个系统工程，需要不断积累运行数据，不仅是对核心组件的监测管理，还包括储能电站内其他相关设备的安全巡检，如突发事故及火灾处理，高压断路器、电流互感器、电力电缆、开关柜等设备的安全监测及维护。

这些非核心组件的安全运行管理，对电池储能电站的整体运行同样具有不可忽视的作用。实际工作中，传统的依靠人工进行巡检及运维的方式很难提高工作效率，因此智能化的线上运维和实时监测系统不断被普及运用。

智能监测终端可适配多种传感器，传感器接收到的环境信息的电信号，通过无线或有线通讯网络组合成整站监测网络，构成分布式监测系统。

以其中的气体传感器为例，电池柜中锂离子电池能量密度高，其电解液的溶剂通常为有机碳酸酯类化合物，具有闪点低、化学活性高和极易燃烧的特点。

由于集装箱内的锂离子电池采用集成化设计，由于其化学特性，容易产生H2富集，当某一组锂电池发生热失控后，会对周围的电池产生强烈的热冲击，造成热失控蔓延，同时生成大量烷烃类可燃气体，可能发生严重的火灾甚至爆炸事故。

在起火燃烧时也会产生CO及CO2气体和烟雾粉尘，严重危害人体健康，因此可以通过监测这些气体种类来进行安全预警。

电化学储能电站火灾早期探测和安全预警

在电池火灾前期，进行有效准确地探测并预警，采取相应的消防手段，防止火灾的进一步蔓延。在安全阀打开前，应做好电池故障诊断工作，及早进行预警。当电池安全阀打开时，会产生大量的气体和烟雾，如CO的体积分数可以从2.4×10-6迅速增加至190×10-6。

此外，释放气体如CO2、CH4、挥发性有机化合物（VOC）等，在安全阀打开时都有明显的增加，因此，可以通过相关的气体传感器，再配合烟雾传感器、火灾探测器、温度传感器等，根据电站电池的热失控特性，设定相应的预警阈值，将多种特征参数进行耦合，当不同传感器参数达到所设阈值时，发出警报，实现锂离子电池火灾早期探测和预警，并根据警报采取相应的控制措施，防止锂离子电池火灾的进一步扩大。

此外，应根据量程和灵敏度，选取适当的传感器和探测器，同时设置冗余系统，保证电站火灾早期探测和预警装置的准确响应。

我们可以从动力锂电池热失控时产生的大量气体入手，锂离子电池热失控的时候，电池内部会有大量的一氧化碳释放出来。一氧化碳不仅是易燃易爆的气体，更可以与人体内的血红蛋白结合，使其失去与氧气结合的能力，从而导致我们缺氧甚至窒息。所以我们可以通过检测一氧化碳的浓度来判断电池热失控。在这里工采网给大家推荐一款纽扣式一氧化碳传感器（CO传感器）TGS5141：

TGS5141一氧化碳传感器CO传感器是费加罗研发的可电池驱动的电化学式传感器，使用一个特殊的电极取代了储水器，由于去除了TGS5042中使用的储水器，TGS5141与TGS5042相比，其外形尺寸缩减到只有后者的10％大小。非常适用于高集成电子产品，对CO的灵敏度高、将CO浓度线性输出，设计方便，自带出厂预标定灵敏度系数，方便用户使用与性能追溯，寿命长达10年以上。

毕竟是事关我们的生命安全，对于精度还是有要求的，测量不准的话又怎么能给出正确的警报呢？TGS5141输出电流与一氧化碳浓度之间在0～1，000ppm范围内显示了± 5％以内偏差的较高直线性。不同浓度CO对应的输出电流可以参考下图。

同时我们也要关注传感器的长期稳定性，这就要求传感器寿命足够长，更要求传感器输出长期稳定，不然会使报警值改变，造成早报晚报甚至不报等情况了。TGS5141的寿命长达十年以上，长期稳定性也是十分优秀，可以参考下图。（Y轴显示的是在任何时间点300ppm一氧化碳中的输出电流（I）和测试第一天300ppm一氧化碳中的输出电流（Io）的比值。）

储能电站内会有各种各样的气味，要是传感器抗干扰性不好的话，也是很容易造成误报的，所以这个传感器要求对CO灵敏度高，对其他气体的灵敏度越低越好。TGS5141就很好，对大部分气体的灵敏度都是非常低的，对CO灵敏度又很高的，见下图。

并且考虑到电站内的温度范围是比较宽广的，基本所有传感器受温度的影响又是比较明显的，所以厂家针对TGS5141做出了温度补偿系数表，OEM客户可以直接利用补偿系数对传感器进行温度补偿，从而使传感器在不同温度下也能有高精度的输出。补偿系数见下图。

由此可见TGS5141是一款十分优秀的CO传感器，性能优异、质量可靠，可以为我们的生命财产安全添加一层保障。

随着电开关柜中SF6气体绝缘的电气设备数量的日趋增多，纯净的六氟化硫气体是无毒的，但在大电流开断时，由于强烈的电弧放电会产生一些含硫的低氟化物。这些物质反应能力较强，当有水和氧气时又会与电极材料、水份进一步反应，从而分解产生有毒或剧毒气体。这些有毒气体主要损害人体的呼吸系统，中毒后会出现类似于感冒、皮肤过敏、恶心心呕吐、疲劳等不良反应，吸入剂量大时，会出现更加严重的后果。SF6气体绝缘的电气设备漏气现象仍是难以避免和彻底杜绝的常见问题，还是需要添加SF6传感器来监测漏气问题。

《电业安全工作规程》特别规定，装有SF6设备的配电室须保证SF6浓度小于1000ppm，配电室除了要装设强力通风装置外，还必须安装能报警的氧气检测仪和SF6气体浓度检测报警器等监测装置。氧气检测仪和SF6气体浓度检测报警器中检测氧气浓度、SF6气体浓度的核心元器件是氧气传感器和SF6传感器，工采网推荐的日本FIGARO氧气传感器KE-25/KE-25F3 GS 氧气传感器KE系列是一种独特的、日本于1985年开发成功的原电池式氧气传感器。其显著特点是使用寿命长，具有优良的化学稳定性，而且不易受CO2的干扰与影响。 *电化学工作原理，检测范围：0~100%O2，精度：1%FS，响应时间：约15秒，空气中输出信号：10~15.5mV，使用寿命：5年。

意大利 N.E.TSF6传感器NDIR传感器IFP32-SF6M-NCVSP，IR 系列红外气体传感器使用 NDIR 技术来监测 SF6 的存在。该技术基于的原理是：气体在红外光谱中具有独特的、定义明确的光线吸收曲线，可以用来识别特定气体。气体浓度可以通过使用适当的红外光源，并分析光路中气体吸收的能量来得出。其信号线性化和温度补偿很适合对 IR 技术没有专门了解的仪器制造商。

总之，电池储能电站整体运营管理的智能化手段离不开传感器的参与，数字化运维系统也在不断开发和进步。合理的运维管理方式不仅能规避安全风险，还可以延长电站的寿命，助力储能电站的整体运行管理，推动储能电站管理规范化、高效化、便捷化发展。

审核编辑 黄昊宇