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直流拉弧?电站火灾?如何一键消除BIPV安全隐患

返回列表 来源: 发布日期: 2022.08.09 浏览次数:

近年来,光伏电站火灾事故频发,不仅损失电站财产和发电收益,还造成建筑物损毁和人身伤害,甚至波及周边环境,造成一系列次生灾害。  .


直流电弧是光伏电站最常见的故障现象。触点脱落、器件老化、绝缘破裂、接地不良等都会产生电弧。而且直流电弧的危害远大于交流电弧,因为直流电弧没有过零点,一旦发生就会继续燃烧,很难熄灭,而且很容易引发火灾事故。


据统计,光伏电站火灾事故中,有一半以上是由直流电弧引起的。 随着光伏组件的规格越来越大,直流侧系统的功率和电流也越来越大。而根据焦耳定律Q =  I²Rt ,电流翻倍,短路点的热效应会增加4倍,引起火灾的风险也大大增加。


1.直流电弧隐患


与传统电气产品不同,光伏组件及其接线并没有完整的外部防护来盖住由组件和接线故障引起的电弧和火花,许多光伏装置能够在维持直流电弧的典型直流电压下运行。


光伏装置中的电弧主要分为三类:


串联电弧:由于接线错误或串联接线断开引起;

并联电弧:由不同电位的相邻线路之间的局部短路引起;

接地电弧:绝缘故障引起


-串联电弧


又称拉弧,通常是由于组件之间的电缆插头接触不良,以及组串电缆与汇流箱或逆变器之间的连接不良造成的。由于光伏电站的串联插头数量较多,一个 1MW屋顶光伏电站的插头有2000 对,很难保证所有插头的质量都很好。这些危害会导致接触不良和直流电弧的形成。



目前有少数逆变器集成了电弧保护功能,但这种保护存在两大问题:第一,如果单串出现电弧故障,会导致整个逆变器停机,造成很大发电损失;第二,没有电弧故障定位功能,运维人员无法甚至不可能及时准确地找到电弧的位置。他们唯一能做就是通过技术复位保护保持逆变器运行。因此逆变器集成的拉弧保护功能并不能真正有效解决电弧故障问题。


-并联电弧


主要是由于线路损坏导致正负极导体短路,或由组串电缆之间短路引起的。当串线电缆受到机械挤压或磨损时,正负极之间或不同串之间会产生电弧,属于并联电弧故障。还有另一种情况也可能导致并联电 -  当系统中的串联电弧不及时处理时,串联电弧的热量烧坏电缆的绝缘层,产生并联电弧。


 


当组件方阵的主要导体之间出现并联电弧时,由于电弧能量足够高,因此更难熄灭,会引发重大火灾事故。串联故障电弧可以通过断开光伏系统的直流母线或相应组串来熄灭,但并联故障电弧无法熄灭,甚至可能导致更大的电流通过电弧路径,使电弧更加强烈。


目前,逆变器集成的电弧保护功能无法检测并联电弧和接地电弧,但并联电弧的破坏力往往是串联电弧的 10倍,安全隐患更大。


-接地弧


电子元器件老化损坏或机械损坏会导致接地放电。如果构件平放在彩钢瓦屋面上,会出现接地弧或漏电现象。这种故障不容易发现,尤其是在下雨天。目前解决的办法是关闭逆变器,等待地面干燥后再开机。这种方法不能有效消除危害,增加人身触电风险。


2.直流高压隐患


在光伏电站中,光伏组件串联组成直流高压电路,一般可达 1000V左右。为降低系统成本,目前一些光伏系统电压已经被设计为1500V 。因此,即使光伏系统关闭,光伏组件矩阵中仍有约1000 - 1500伏的直流高压。


当光伏电站和建筑物发生火灾时,尤其是屋顶光伏电站,在阳光照射下组件仍处于发电状态,对救援人员是巨大的安全隐患,难以保障安全救援。而在电站日常运行维护或财产维护过程中,操作人员和检查人员也有触电的危险。


3.建筑光伏安全迫在眉睫


随着建筑光伏一体化的推进,在建筑上加装光伏发电已经成为一种习以为常的形式。


对于政府、学校、医院、商业办公、住宅阳台等建筑物,人口稠密,救援实施难度大,事故造成的社会影响大。对于各种彩钢瓦屋面,屋面检查不便,不能及时发现电弧安全隐患;且屋顶脆弱,直流电弧火花容易烧穿彩钢瓦进入下部空间,造成火灾和财产损失。


对于公路、河流等区域,存在环境风险,比如烟头和部件散发的零星电弧火花很容易导致下面的杂草燃烧;区域狭长,会带来检查不便,运维困难,不能及时发现隐患;远离市区,如发生火灾等事故,救援困难。


目前美国最新版国家电气规范  NEC2020 文件要求:以距光伏矩阵305mm 为限,超出限位,触发装置启动后30S内,电压降至 30V以下;边界内要求有“光伏危险控制系统”,或触发装置启动后30S 内将电压降至80V以下。


加拿大电气规范  2021 版要求:当光伏系统直流侧电压大于80V 时,应安装电弧故障遮断装置或其他等效设备。当光伏系统安装在建筑物内或建筑物上时,应安装快速关闭装置。距离光伏组件1 米处,快速关机装置启动后,需要在 30S 内将电压降到  30V 以下。


德国标准  VDE-AR-E 2100-712:在光伏系统中,如果逆变器关闭或电网出现故障,直流电压需要小于120V 。所使用关断装置使直流侧电压低于120V。


澳大利亚最新  AS/NZS 5033:2021 标准第 4.3.3 节规定:当直流电压大于 120Vd.c 时,光伏组件和逆变器之间需要安装断开装置。


泰国电气规范 -  太阳能屋顶电源安装 2022 第 4.3.13 节:要求 屋顶光伏电站必须配备快速关断装置,限距光伏矩阵 300mm。限制范围内的电压在设备启动后30 秒内降至80V以下,限制范围外的电压降至 30V以下。


4.结语


光伏电站建设全面推进,与千家万户紧密相连。作为重要的能源基础设施,光伏电站的安全、稳定、高效运行是经济发展的重要保障。如何保障光伏电站的“安全”,正受到全行业的高度关注。要有效解决这个问题,需要全行业共同努力,拿出创新的解决方案,不断完善相关标准和法规,在后续电站建设中真正落实相关要求。


如果您知道好的组件级关断解决方案,或者其它BIPV 安全措施,欢迎在文末留言,让更多的人受益。

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