如今，随着可再生能源的广泛应用，电池储能系统的部署需求显著增长。虽然术发展迅速，但储能系统设计仍处于起步阶段。美国电气和电子工程师协会（IEEE）发表了一篇题目为《大型电池储能系统中的弧闪危害计算和缓解》的论文，对电池储能系统设计的复杂性和所需的技术创新，以及缺乏有关短路电流计算和安全性的统一标准进行了阐述，从根本上说明了精确计算电池储能系统产生的电弧电流到迄今为止一直都很困难的原因。

 

       电弧闪光是电弧引起能量释放的危险状况，而弧闪通常发生在带电导体之间的电气绝缘破坏或不能再承受施加电压的时候。而大功率电器设备发生短路事故时产生电弧的能量也很高。

 

       行业厂商提供的弧闪继电器通过寻找闪光和电流的组合来检测正在发生的弧闪事件，光学传感器和可调节的跳闸级别通过设置环境光线的阈值来减少跳闸的机率。

 

       随着锂离子电池容量不断增加，发生弧闪事件的风险也随之增加。为了最大程度地利用每块电池的容量，并提供更长的放电时间，储能厂商正与电池供应商合作研究和开发提高电池的容量。

 

       为了提高竞争力，并降低成本，必须减少弧闪。全球储能市场正在迅速增长，一些调研机构预测，到2040年全球储能市场的装机容量将达到1,095 GW。在此期间，全球储能投资将增长至6,200亿美元。

 

       当故障电流通过气隙并产生高度电离的气体时，就会发生弧闪。弧闪会产生比太阳表面温度更高的温度，其爆炸时速达到700英里/小时以上，爆炸压力超过2000磅/平方英寸（甚至高于霰弹枪）。工作人员面临的危险程度取决于故障电流、工作距离和电路中过电流保护装置的断开时间。

 

       如果在480伏的电力系统中发生电流为20,000安的相间故障，那么产生的持续时间为200毫秒的电弧释放的能量为192万焦耳（480V×20,000 A×200ms）。作为比较，TNT炸药爆炸时释放的能量为每克为2175焦耳，因此，一次电弧闪光相当于863克TNT炸药爆炸。

 

       根据美国职业安全与健康局（OSHA）的研究，弧闪事故造成的伤亡约占电气事故的80％，即使没有工作人员受伤，弧闪也会损坏电气设备，并导致成本高昂的更换组件和电力系统停机时间。

 

       从直流电池组的组合输出馈入逆变器的高电压直流电源存在弧闪危险。将多个电池组的电力输出释放到汇流箱中时，它们还可以产生足够的直流电压来引发电弧。交流电源的电压过零特性会帮助交流电产生的电弧自行熄灭，而由电池组产生的直流电弧则不会自动熄灭。

 

      储能系统的弧闪危险计算有所不同

 

       几乎每种类型的储能系统都能快速释放故障电流。但是，使用锂离子电池的储能系统具有更快的能量需求响应。

 

       弧闪的危险严重程度是通过计算潜在的入射能量来确定的。

 

       IEEE 1584指南（进行弧闪危险计算的指南）可用于确定电弧危险距离和入射能量。

 

       与交流系统中的弧闪相比，对于直流弧闪的研究较少，也了解得更少。弧闪计算器可用于确定如何减少储能设施中的入射能量。弧闪计算确定了最大可能的入射能量。但是，与只使用过电流保护装置时所预期的相比，一些直观上可能不明显的因素可能会导致更高的入射能量水平：

 

      电池寿命：随着电池老化，其内部阻抗会增加。这会导致较低的闪弧电流，这实际上会导致较高的能量，因为过电流保护设备需要更长的时间才能工作。

 

      充电状态：部分耗尽的电池组可能不会产生足够的短路电流熔断保险丝或操作其他过流保护设备，但可能有足够的电流产生电弧。

 

      电池组：电池组的弧闪将从并联的其他电池组供电。

 

       电池柜将能量从柜门中导出。因此，在弧闪事故中，大型电池柜使工作人员暴露在更多的入射能量下，这既难以控制故障，也可能使工作人员在典型的两秒钟窗口内难以自救。

 

      电池储能系统中的弧闪抑制

 

       为了减轻弧闪的危害，弧闪继电器检测来自弧闪的闪光，并在几毫秒内将跳闸信号发送到上游断路器（如果是高质量的继电器）。这样可以防止电弧发展为全面的灾难性事件。

 

       为了安装弧闪继电器系统，将光传感器安装在设备的内部，内部还安装逆变器及其相关的母线，而电源母线是引起电弧的起源。逆变器内部的功率半导体设备通常会发生故障，但其连接器可能会无法接地并引起弧闪。

 

       弧光继电器即使在电量低时也能提供可靠的保护。只使用弧闪继电器而不是仅依靠过电流保护装置，就可以为储能系统在其整个生命周期内始终保持较低的入射能量。

 

       可以通过使用弧闪继电器监控和保护电池组，该继电器将向将电池组与电源线断开连接的装置发送跳闸信号。在进行维护时，允许工作人员断开电池组各部分的装置进一步减少了可用的入射能量。

 

       弧闪继电器可以保护安装和维护电池的工作人员，并避免或减少高昂的工伤费用，其中包括美国职业安全与健康局（OSHA）的罚款和诉讼。例如，美国职业安全与健康管理局通报的一起事故发生在一个风力涡轮机内部，并导致一名技术人员因电弧闪光而严重烧伤。因此遭受37.8万美元的罚款。采用弧闪继电器可以防止电池储能设备的损坏。

 

       电池储能系统不仅仅是电源关键设备，还提供其他好处和辅助服务，其中包括负载均衡、调节储备、输电和配电基础设施延迟以及频率调节。这些好处可以提供电池储能系统对公用事业公司的价值，而减少弧闪事件对于储能部署至关重要。