分布式光伏电站直流电弧和火灾“安全”隐患——应用场景风险分析

国家双碳政策下，光伏发电将在未来能源结构中承担主力军角色，同时也将进入一个蓬勃发展的新时代。2021年，分布式光伏电站新增容量首次超过集中式电站，标志着分布式光伏电站进入大规模快速增长阶段，但是，随之而来的“安全问题”也越来越多，已经到了迫切需要解决的地步。

“安全”是一切产业的命脉，是一票否决的原则性问题，光伏电站安全运营也是电站取得投资回报的根基所在。随着“整县推进”项目不断落地实施，大量政府机关、学校、医院、居民屋顶以及加油站、各种料棚和工商业彩钢瓦屋顶安装光伏电站；可再生能源建筑政策也将推动BIPV（建筑光伏一体化）市场繁荣发展。一直以来，光伏电站“防直流电弧”和“防火灾”发生是光伏电站的难点、屋顶电站的痛点、政府关注的重点、社会舆论的焦点。

火灾安全隐患

近年来，光伏电站火灾事故频发，这不仅损失电站财产、发电收益，严重时还会造成建筑物损坏和人身伤害，甚至蔓延到周边环境，导致一系列次生灾害发生。

直流电弧产生是光伏电站中最常见的故障现象，由于接点脱落、器件老化、绝缘破裂、接地不良等情况都会产生电弧。并且，直流电弧的危害远远大于交流电弧，因为直流电弧不存在过零点，一旦产生就会持续燃烧，很难熄灭，极易造成火灾事故。据统计，光伏电站过半数火灾事故是由直流电弧引起，随着光伏组件规格越做越大，直流侧系统功率和电流增强，根据焦耳定律Q=I2Rt可知电流增大一倍，短路点热效应增加4倍，引起火灾的风险也极大地增加。

直流电弧分类

16895.32-2021 中关于直流电弧的描述：

和传统的电气产品不同，对于PV组件和其线路，没有一个整体外壳来收纳由元件和线路故障引起的电弧和火花，而许多PV装置却能够在维持直流电弧的典型直流电压下运行。

PV装置中的电弧主要有三个类别：

---可能因错误接线或者串联接线断裂造成的串联电弧

---可能因不同电位的相邻线路之间部分短路而造成的并联电弧

---因绝缘故障造成的接地电弧

串联电弧

串联电弧，又称为拉弧。串联电弧通常由组件间电缆插头接触不良、组串电缆与汇流箱或者逆变器的连接不牢靠等原因造成。由于光伏电站中的串联插头众多，1MW屋顶光伏电站就有2000个对插点，如此多对插点很难保证所有插头品质优良，很难保证所有接点对插良好，而且日积月累，插头存在老化问题，这些隐患导致其接触不良，形成直流电弧。

当前，少数逆变器中集成了拉弧保护功能，但是这种保护存在两个重大问题：第一，如果有一个组串出现拉弧故障，那么整个逆变器就会停机，造成极大的发电量损失；第二，没有拉弧故障定位功能，运维人员无法及时精准地找到电弧发生的位置，本质上就是无解，他们唯一能做的技术复位保护，使逆变器继续运行。如此看来，逆变器中集成拉弧保护功能，无法真正有效地解决拉弧故障问题。

并联电弧

并联电弧主要由线路破损引起的正负极性导体短接，或者组串电缆之间短接引起的。当组串电缆被机械挤压或磨损时，在正负极之间，或者不同组串之间就会产生电弧放电，这就是并联电弧故障。还有一种情况也会导致并联电弧，当系统出现串联电弧没有及时处理时，串联电弧的热量烧坏电缆绝缘层，也会产生并联电弧。

当组件方阵主导体之间发生并联电弧，由于电弧能够得到足够能量，更加难以熄灭，将会造成重大火灾事故。通过断开光伏系统直流母线或相应组串可以熄灭串联故障电弧，然而却无法熄灭并联故障电弧，甚至可能导致更大的电流通过电弧通路，使电弧燃烧更加剧烈。

目前，逆变器中集成的电弧保护功能，不能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。

接地电弧

部件老化破损或机械损伤导致对地放电，如果组件平铺在彩钢瓦屋顶上，将出现接地电弧或漏电情况。这种故障不易排查发现，尤其雨天更是常见，目前，解决方法为逆变器停机，等接地处干燥后再开机运行，这种方法并不能有效排除隐患，同时增加人身触电的风险。

直流高压

在光伏电站中，光伏组件采用串联方式形成直流高压电路，一般达到1000V左右，即使系统停机时，光伏组件矩阵内仍然存在千伏左右的直流高压。尤其屋顶光伏电站，当光伏电站和建筑物发生火灾时，很难安全施救；在日常电站运维检修或物业保养时，运检人员也存在触电风险。

政府机关、学校、医院、居民屋顶

场景风险分析：

1、区域管制，无法使用无人机进行组件异常扫描，隐患无法及时发现；

2、人口密集，组件方阵出现漏电，人员触电风险较大；

3、抢险受限，遭遇火灾等紧急情况时组串高压无法关断，阻碍救援；

4、舆论影响，若发生火灾等事故，社会舆论影响较大；

各种彩钢瓦屋顶

场景风险分析：

1、巡检较难，彩钢瓦屋顶不便巡检，电弧安全隐患不能及时发现；

2、抢险受限，遭遇火灾等紧急情况时组串高压无法关断，阻碍救援；

3、屋顶脆弱，直流电弧火花易烧穿彩钢瓦进入下部空间，引起火灾，造成财产损失；

煤棚、车棚、料棚、养殖棚

场景风险分析：

1、巡检较难，顶棚不便巡检，电弧安全隐患不能及时发现；

2、抢险受限，遭遇火灾等紧急情况时组串高压无法关断，阻碍救援；

3、棚顶脆弱，直流电弧火花易烧穿棚顶进入内部，造成重大财产损失；

加油站、酒精、化工、面粉等厂区

场景风险分析：

1、高危场景，需要及时检测电弧、关断、报警、定位，有效排除隐患；

2、抢险受限，遭遇火灾等紧急情况时组串高压无法关断，阻碍救援；

3、易燃易爆，安全保护措施缺位，易引起重大安全事故；

高速、公路、河道等区域

场景风险分析：

1、环境风险，烟头、组件零星电弧火花易导致下方杂草燃烧；

2、巡检较难，地段狭长不便巡检，运维难度度，不能及时发现隐患；

3、救援困难，远离市区，如发生火灾等事故救援困难；

4、二次事故，车辆或其他事故损坏组件时，不能及时关断组串高压，易造成严重二次事故。

国内外相关法规

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。

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。

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。

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。

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。

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。

丰郅“安全保护”方案

四合一功能：

l组件级快速关断

l组件级数字化管理

l组件级拉弧实时检测、主动保护和故障定位

l并联电弧和漏电实时检测、主动保护和故障定位

当前逆变器上集成的电弧保护功能不够完备，并且无法定位故障位置，无法精准定位也就不能及时有效地处理。只有“组件级”检测和保护方案，才能覆盖串联电弧、并联电弧和对地电弧，并且做到电弧故障位置精准定位，还可以实现漏电故障检测与定位。

结语

我国光伏电站建设正在如火如荼地进行中，已经走进千家万户与老百姓生产生活紧密相连，如何保障光伏电站的“安全性”正在引起全行业的高度重视。随着央国企电力集团布局光伏产业，电站运行中的安全问题更是提高到重中之重的位置。要想有效解决这一问题，需要整个行业群策群力提出创新性解决方案，并且不断完善相关标准和法规，并在后续电站建设中真正落实相关要求。

2022年4月26日，中央财经委员会第十一次会议，研究全面加强基础设施建设问题，提出构建现代化基础设施体系，实现经济效益、社会效益、生态效益、安全效益相统一，服务国家重大战略，支持经济社会发展。光伏电站作为重要的能源基础设施，安全稳定高效运行是经济发展的重要保障。