光伏电站火灾风险的防范技术

郑 军 浙江衢州中等专业学校 324000

【文章摘要】

 　　本文从技术的角度出发，通过对直流电弧、传统集中式逆变器等引发光伏电站火灾成因的分析，构建了针对性的技术防范对策和解决方案，它将有效的降低光伏电站的火灾隐患。

【关键词】

光伏电站火灾；直流电弧；防范技术

随着光伏发电技术的迅猛发展，国内光伏累计装机容量已超过30GW，并以每年大于10GW 的速度增长，光伏电站建设迎来了前所未有的投资机遇。但由于受到光伏电站建站方案的设计先天不足、安全措施的不完善和环境条件恶劣等因素的影响，造成火灾等安全问题事故多发，不仅给业主造成了巨大的经济效益损失，也给光伏行业的发展带来极大的负面影响，成为光伏行业发展的一大阻碍。如何确保光伏电站的安全运行，防止或减少火灾危害，保障人民生命财产的安全，已成为行业当务之急。

1 光伏电站火灾的成因分析

光伏电站火灾的发生部位主要分布在汇流箱、逆变器、电缆、变压器油系统等其它电气设备中，引发事故的原因肯定是多方面的，笔者通过查询、分析和统计得出：光伏电站中的火灾事故大部分是由直流侧故障引起，而直流测的故障主要技术成因就是直流电弧。

众所周知，当用电开关断开电流或接触不良时，如果电路电压不低于20 伏，电流不小于80~100mA，电器的触头间便会产生电弧。开关触头分离时，触头间距离很小，当电场强度达到一定限值时，物质表面的电子就会被电场力拉出，在电场力的作用下向阳极作加速运动，而且在运动的途中还会不断地和中性质点相碰撞，产生大量的电子和正离子，形成高导电率的游离气体，导致绝缘介质被击穿而产生电弧，电路再次被导通。电弧由阴极区、阳极区和电弧区组成，电弧的能量集中，温度极高，电弧中心部分维持的温度可达10000℃ 以上。由于电弧具有高温高导电性的特征，极易引起设备故障，引发光伏电站火灾事故的发生。当前常用的灭弧方式有：机械灭弧、磁吹灭弧、窄缝灭弧、栅片灭弧等，在众多技术方案中，常采用拉弧的方式，在交流拉弧时，我们能够在电流过零点处熄灭，技术方案相对成熟有效。相对于交流电弧，直流电弧因为具有电流不过零的特性，导致直流灭弧技术难度加大，因此，直流拉弧必须在电弧直燃烧出足够的间距后，才能够熄灭，所以我们不难理解：直流拉弧过程中引发的火灾事故概率将远远高于交流拉弧。

光伏电缆有一定的安全载流量，如果通过的电流超过它的安全载流量，电线就会发热， 超过的越多，发热量越大，导致温度升高，当温度超过一定的数值时，电缆就会着火燃烧。在光伏电站中，光伏电缆着火原因可分为串联故障电弧和并联故障电弧两种。当光伏电缆扯断或断裂，在其断裂处即会产生所谓的串联故障电弧，光伏电站有成千上万个联接点，因此常见的电缆起火源为串联故障电弧。当两条光伏电缆交汇处，由于电压过高或其它原因而引起的电弧，称为并联故障电弧，因为龋齿动物咬破电线、电线的老化、外力造成电线破损、环境恶劣等，而使得电线失去既有的绝缘功效，导致具有电压差的两段金属互相接触引起的。虽然并联故障电弧的发生机率远小于串联故障电弧，但是带来的危险性会远远超过后者，因为当并联故障电弧发生之时，光伏电池系统的电压与电流仍会持续保持供应与维持此故障现象所需的能量，常见的光伏电缆落地引发的火灾故障就属于并联故障电弧。

在光伏电站的交流侧，变压器是光伏电站的主要设备，油浸变压器内部贮有大量绝缘油， 按《建筑设计防火规范》的规定：如当电压等级为35kV 及以下，容量为5.6 ～ 31.5MVA 的变压器之间的防火间距在2.00 ～ 3.80m 范围内；蓄电池在很多光伏电站中不可或缺，但其在使用过程中可能有氢气漏出，故其火灾危险性应属甲类。但由于光伏电站环境的恶劣性，变压器和蓄电池引起光伏电站的火灾也时有发生。

2 防范光伏电站火灾的对策

首先，应构建一套防范火灾的管理、监控和报警系统。通过计算机软件技术，采用PLC 通讯、无线4G 传输，安装合量的安装烟感或温感传感器；应用多点定位高精度温度监测手段等更多的新技术、新工艺来构建和完善管理、监控和报警系统，主动识别风险，防患于未然。故障电弧断路器是一种新型的侦测与切断故障电弧电子装置，被视为近年来最重要的电气安全保护装置，它通过独特的传感器侦测电路中的电压或电流的讯号，比对是否与故障电弧的讯号相似，如果判定发生故障电弧现象，即会主动切断电源以消除故障电弧的状况。智能逆变器通过对输入的每一路组串进行独立的电压电流检测，检测精度是传统智能汇流箱方案的10 倍以上，它为准确定位组串故障带来了可能，为提高运维效率奠定了基础。

其次从设计方案上，将直流汇流向交流汇流演变，采用多组串逆变器的智能光伏电站系统。传统集中式光伏电站包含直流汇流箱、直流配电柜、逆变器等三个高压直流设备；而由多组串逆变器组成的智能光伏电站系统吸取了集中逆变和组串逆变的优点，采用无直流汇流设计，省掉直流汇流箱、直流配电柜等直流汇流环节，多组串输出直接进入逆变器逆变为交流电进行远距离传输，减少直流高压设备，有效的缩短了直流线缆传输距离，间接减少高风险的高压直流电弧，由相对安全的交流系统替代。多组串逆变器是借助DC-DC 变换器把很多组串连接在一个共有的逆变器系统上，并仍然可以完成各组串各自单独的MPPT 功能，它不仅使逆变器应用数量减少，还可以使不同额定值的光伏组串、不同朝向的组串、不同倾斜角和不同阴影遮挡的组串连接在一个共同的逆变器上，同时每一组串都工作在它们各自的最大功率峰值点上，使因组串间的差异而引起的发电量损失减到最小，整个系统工作在最佳效率状态上。

针对光伏电缆等因素引发的事故，由于光伏电缆分布较广和电缆火灾的蔓延速度很快的特性，如果仅仅依靠化学灭火器，肯定难以阻止火灾的产生和蔓延，因此，我们应推广感温电缆和阻燃电缆在光伏电站中的普及和应用。感温电缆又名线型感温火灾探测器，感温电缆具有沿全线长连续监测保护对象温度的能力，感温电缆内部内置两根弹性钢丝，每根钢丝外面都包有一层感温且绝缘的材料，正常监视状态下，两根钢丝都处于绝缘状态，当周边环境温度上升到预定动作温度的时候，温度敏感材料将破裂，导致两根钢丝之间短路，通过输入模块侦测到短路信号后，系统就会触发报警信号。当然定期清扫电缆上所积粉尘有十分重要，它能有效防止所积粉尘自燃引起电缆着火。

3 结束语

光伏电站事故肯定是由多方面因素的引起的，不合格的设计方案、不合理的运营与管理，都会引发火灾事故的发生，只有从设计、管理、技术和运营上多管齐下，才能从根本上彻底消除火灾隐患。

【参考文献】

[1] 王哲. 电站火灾预警方法的研究《 太阳能》 2014.1

[2] 尹强. 新型火灾报警系统在水电站的应用《水力发电》 2014.1

【作者简介】

郑 军（1967--） 浙江衢州中等专业学校 高级讲师086

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