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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

2022-05-25 15:45来源:丰郅新能源关键词:电弧监测组件关断丰郅收藏点赞

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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”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。

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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

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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。

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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;

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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;

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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;

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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;

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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。

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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

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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。

投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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