事故频发!光伏电站火灾最大“元凶”!

发布时间:2024-02-29 浏览量:1424 来源:凤凰光伏网
根据权威报道,光伏电站火灾案例中,直流电弧引发的火灾占比较大,成为光伏电站火灾的“带头大哥”。光伏电站直流电弧故障是一种时常发生、隐蔽性强、具有发展性、可以引起灾难性后果的“顽疾”。本文着重分析直流电弧火灾的主要类型,及国内外对相关内容的主要规范要求。

在光伏电站中,直流电弧的产生是一种常见且危险的故障现象。这种情况通常是由于接点脱落、器件老化、绝缘破裂或接地不良等因素引起的。与交流电弧相比,直流电弧的危害更为严重,因为它没有过零点,一旦产生就会持续燃烧,极难熄灭,从而极易引发火灾事故。

据统计数据显示,超过半数的光伏电站火灾事故是由直流电弧引起的。随着光伏组件规格的增大,直流侧系统的功率和电流也在不断增强。根据焦耳定律Q=I²Rt,当电流增大一倍时,短路点的热效应将增加四倍,这进一步增加了引发火灾的风险。直流电弧的产生主要包括以下几类:

一、直流电弧分类

(1)串联电弧

串联电弧,也被称作拉弧,是光伏电站中一种常见的故障现象。这种故障通常是由于组件间的电缆插头接触不良、组串电缆与汇流箱或逆变器的连接不牢靠等原因引起的。

在光伏电站中,由于存在大量的串联插头,例如一个1MW的屋顶光伏电站就有2000个对插点,这使得保证所有插头品质优良和接点对插良好变得极为困难。随着时间的推移,插头还可能出现老化问题,这些隐患都可能导致接触不良,进而形成直流电弧。

目前,虽然一些逆变器已经集成了拉弧保护功能,但这种保护存在两个主要问题。首先,一旦其中一个组串出现拉弧故障,整个逆变器就会停机,从而造成巨大的发电量损失。其次,这些逆变器缺乏拉弧故障定位功能,导致运维人员无法及时准确地找到电弧发生的具体位置。

实际上,这使得问题无法得到根本解决。运维人员通常只能采取技术复位保护措施,使逆变器继续运行。因此,尽管逆变器集成了拉弧保护功能,但它并不能真正有效地解决拉弧故障问题。

(2)并联电弧

并联电弧故障主要由线路破损导致正负极性导体之间发生短接,或者是组串电缆之间短接所引起的。当组串电缆受到机械挤压或磨损时,会在正负极之间或不同组串之间产生电弧放电。此外,如果系统出现串联电弧故障且未及时处理,串联电弧产生的热量可能会损坏电缆绝缘层,进而引发并联电弧。

当组件方阵的主导体之间发生并联电弧时,由于电弧能够获得足够的能量,因此更加难以熄灭,这种情况可能会引发严重的火灾事故。虽然断开光伏系统的直流母线或相应组串可以熄灭串联电弧,但对于并联电弧来说,这种方法却无法奏效,甚至可能导致更大的电流流经电弧通路,使电弧燃烧更加剧烈。

目前,尽管逆变器中集成了电弧保护功能,但这种功能通常无法检测到并联电弧和接地电弧。值得注意的是,并联电弧的破坏力往往是串联电弧的10倍,因此其安全隐患更大。

(3)接地电弧

部件的老化、破损或机械损伤都可能导致对地放电的现象。当光伏组件铺设在彩钢瓦屋顶上时,这种情况尤为明显,可能会引发接地电弧或漏电问题。这种故障往往难以排查和发现,特别是在雨天更为常见。

目前,常见的解决方法是暂停逆变器运行,等待接地处干燥后再重新启动。然而,这种方法并不能有效排除隐患,还可能增加人身触电的风险。因此,我们需要更加有效的措施来解决这一问题,以确保光伏电站的安全运行。

(4)直流高压

在光伏电站中,光伏组件通过串联方式连接形成直流高压电路,电压水平通常达到1500V左右。这意味着即使在系统停机状态下,光伏组件矩阵内仍然维持着较高的直流电压。

对于屋顶光伏电站来说,一旦发生火灾,无论是光伏电站本身还是与之相邻的建筑物,救援工作都会变得异常困难,因为高电压的存在给安全施救带来了极大的挑战。此外,在日常的电站运维检修或物业保养过程中,运维人员也面临着触电的风险,需要格外小心操作,确保自身安全。

二、国内外相关的法律法规及规范要求

(1)美国:

在最新版美国国家电气规范NEC2020文件中要求:

以距离到光伏矩阵305mm为界限,界限范围外,在触发设备启动后30S内,电压降低到30V以下;界线范围内,要求具有“光伏危险控制系统”,或在触发设备启动后30S内,将电压降低到80V以下。

(2)加拿大:

根据加拿大电气安装法规 Canadian Electrical Code 2021版要求:

当光伏系统直流侧电压大于80V时需安装电弧故障中断设备或者其它等同设备。

当光伏系统安装在建筑内或者建筑上,应安装快速关断装置。在光伏组件1米外,快速关断装置触发后,要求30S内将电压降低至30V以下。

(3)德国:

根据德国标准 VDE-AR-E 2100-712要求:

在光伏系统中如果逆变器关闭或者电网出现故障时,需要使直流电压小于120V。提到使用关断装置使直流侧电压降至120V以下。

(4)澳洲:

根据最新AS/NZS 5033:2021标准的4.3.3章节提到:

当直流电压大于120Vd.c时,组件和逆变器之间需要安装断开装置。

(5)泰国:

泰国国家电气规范(Thai Electrical Code:Solar Rooftop Power Supply Installations2022)中4.3.13章节:

要求屋顶光伏电站必须安装有快速关断装置,且在距离光伏矩阵300mm为界限,装置启动后30秒内界限范围内电压降低到80V以下,界限范围外电压降到30V以下。

(6)国内规范:

国家能源局发布《关于加强分布式光伏发电安全工作的通知(征求意见稿)》

建筑物电气装置(国家质量监督检验检疫总局发布 2001年):

在GBT 18379-2001 《建筑物电气装置的电压区段》中规定I区段电压等级的限值为120VDC,也就是说人体正常情况下可触及导电零件的电压限值为120VDC,这是人体的安全电压。

中国建材标准(中国建材检验认证集团有限公司2018年):

根据中国建材检验认证集团发布的《户用并网光伏系统检测及评价》:安装在屋顶上的户用并网光伏系统,当直流电压大于120V时,单块光伏组件或组串宜采用快速关断的方式控制危险直流电压,宜采用电弧故障检测、报警及处理系统。

住建部(住房和城乡建设部公告2021年第173号):

住建部批准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》为国家标准,于2022年4月1日起实施。

5.2.5太阳能系统与构件及其安装安全,应符合下列规定:

应满足结构、电气及防火安全的要求。

浙江地方标准(浙江省市场监督管理局2019年) :

光伏电源并网电气设备应符合GB 50054等国家相关技术标准。根据GB/T 3805和GB/T18379 相关规定,光伏电源应具备技术措施,在施工、维护和检修等情况下能够控制人体可能接触的直流部分电压在120V安全限值范围内。

安徽地方标准(安徽省市场监督管理局2018年):

根据安徽省质量技术监督局发布的《建筑光伏系统防火技术规范》:建筑光伏系统中需要设置快速关断装置,且对“光伏系统”关闭与“光伏组件”关闭做了区分。对于仅仅实现矩阵快速关断的系统,仍然要求有明显标识说明光伏组件存在直流高压危险。

国家能源局:

2021年11月26日,国家能源局发布了关于公开征求对《关于加强分布式光伏发电安全工作的通知(征求意见稿)》意见的公告。其中,在“项目设计管理”相关章节中明确要求:安装电弧故障断路器或采用具有相应功能的组件,实现电弧智能检测和快速切断功能;光伏组件应具有安全关断保护功能,保证逆变器关机,交流断电后,系统子阵外直流电压低于安全电压。

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