光伏電站直流系統(tǒng)火災(zāi)原因探討

李海濤

摘 ?要：隨著社會對電力需求度的持續(xù)提升，減少光伏電站事故成為人們關(guān)注的重點，基于此，本文主要對光伏電站直流系統(tǒng)火災(zāi)原因進行探討，希望能夠減少安全隱患以及財產(chǎn)損失，為我國發(fā)電事業(yè)健康發(fā)展提供建議。

一、引言

近年來，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為世界上新材料領(lǐng)域研究與應(yīng)用最成熟、最有發(fā)展前景的一種重要工藝之一。因此，太陽能發(fā)電作為目前最具規(guī)?；褪袌鰞r值最高效電力能源開發(fā)方法，逐漸被國際公認為國家重點戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，國家光伏發(fā)電逐步向高耗能電站轉(zhuǎn)變，因此，光伏發(fā)電站一旦發(fā)生火災(zāi)事故，其后果不堪設(shè)想，會對安全生產(chǎn)造成極大影響并產(chǎn)生嚴重后果。所以電站直流系統(tǒng)被作為研究對象，探討其火源、溫度及濕度等條件下電氣設(shè)備起火的原因，能夠保證電力供應(yīng)安全可靠穩(wěn)定運行。

二、光伏電站直流系統(tǒng)

光伏發(fā)電站是利用光伏發(fā)電生產(chǎn)電能，是利用太陽能通過轉(zhuǎn)換機制，將太陽輻射轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)使太陽照射在太陽能組件上時，太陽電池吸收光子能量，形成伏特效應(yīng)，太陽電池的兩極用導(dǎo)線形成回路后，能夠形成光生電流，產(chǎn)生電能。光伏電站的主要發(fā)電系統(tǒng)有太陽電池組件方陣，一般情況下，太陽能電池分為單晶硅電池和多晶硅太陽能電池以及非晶硅太陽能電池。目前不同類型的太陽能電池組件達到的最高效率也不同，一般情況下，單晶硅電池為24%，多晶硅電池為18%，非晶硅電池為12.8%，非晶硅電池相較于單晶硅與多晶硅電池更加穩(wěn)定。其次，還具備控制逆變裝置，由于地球上的太陽能輻射隨時變化，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，控制逆變裝置轉(zhuǎn)換直流電與交流電，保證光伏發(fā)電的穩(wěn)定性。同時，太陽能發(fā)電站具備蓄電池組，能夠儲存電能。目前光伏發(fā)電站中具有發(fā)展前景的系統(tǒng)，為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)中缺乏蓄電池，其能夠?qū)a(chǎn)生的電流通過并網(wǎng)逆變器直接匯入電網(wǎng)，且投資小，安全性也較高[1]。

一般情況下，光伏系統(tǒng)的構(gòu)成是由太陽能電池組件相互串聯(lián)，通過直流匯流箱進行整流形成直流電，之后通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電匯入電網(wǎng)之中。光伏發(fā)電站是由多個發(fā)電單元構(gòu)成。光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨立光伏發(fā)電、并網(wǎng)光伏發(fā)電和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過安裝容量可分為小型、中型以及大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，

三、光伏電站直流系統(tǒng)火災(zāi)原因

（一）設(shè)備故障因素產(chǎn)生電弧導(dǎo)致火災(zāi)

以億晶EG-260P60-C組件為例，其功率為260W，工作電流為8.42A，短路電流為8.98A，工作電壓為30.88V，開路電壓為37.75V。光伏電站直流側(cè)隨著投入運行年限增加，電子元件老化、電纜破裂、觸點松動或者動物抓咬等原因，都可能引起故障電弧，直流電弧產(chǎn)生的高溫若超過3000℃，能夠直接導(dǎo)致起火，而光伏電站火災(zāi)大多數(shù)均由故障電弧引起。

1.光伏方陣故障

一般光伏方陣出現(xiàn)故障引發(fā)的火災(zāi)是由于電纜的絕緣層進行損壞，導(dǎo)致光伏某組件與光伏支架之間產(chǎn)生短路，配電柜中的斷路器的電流迅速增加，從而引發(fā)火災(zāi)。以多晶硅太陽能電池組件為例，為保證電池片最大程度地接受太陽光線，其上蓋板中的鋼化玻璃必須擁有一定的透光度。因此，在進行光照時，一旦電池組件材料不合格，將引起火災(zāi)。一般情況下，光伏方陣引發(fā)的火災(zāi)分為四個階段，首先是光伏電池板由于過熱，導(dǎo)致溶解之后產(chǎn)生熱分解現(xiàn)象，最終著火并持續(xù)燃燒。太陽能輻射極其不穩(wěn)定，一旦輻射量增加時，太陽能電池板會發(fā)生物理以及化學(xué)性質(zhì)的改變，太陽能電池板在高輻射的狀態(tài)下，會逐漸呈現(xiàn)玻璃態(tài)，高彈態(tài)以及粘流態(tài)，隨著輻射量的增加，溫度進一步升高，最終導(dǎo)致分子鏈滑動，內(nèi)部聚合物在持續(xù)的溫度上升過程中，不斷揮發(fā)可燃氣體，當與空氣氧氣接觸時會發(fā)生燃燒進而引發(fā)火災(zāi)。

2.匯流箱故障

匯流箱是光伏電站中的重要設(shè)施，其在短路后容易產(chǎn)生火災(zāi)。匯流箱故障中，包括串聯(lián)組短路、匯流箱電源模塊溫度升高等等產(chǎn)生電弧。一般情況下，電弧中心部分可維持將近10000度的高溫電弧，具有高溫高導(dǎo)電性的特征，最終引發(fā)匯流箱的設(shè)備故障。光伏電站中匯流箱數(shù)量較多，其具有巨大的負荷，通過直流母排匯入短路點時，會造成短路回路現(xiàn)象，此時匯流箱直流斷路器，若未跳開短路處母線，短時間內(nèi)的通過電流較大，形成電弧，最終導(dǎo)致設(shè)備起火。

3.電纜故障

光伏電纜在設(shè)計過程中具有安全載流量的設(shè)置，一旦電流超過其安全載流量，電感先會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，發(fā)熱量過大會導(dǎo)致表面溫度過高，最終導(dǎo)致電纜著火燃燒。光伏電站中電纜的著火原因為串聯(lián)或并聯(lián)電弧兩種方式，當光伏電纜出現(xiàn)斷裂時，會產(chǎn)生串聯(lián)故障電弧，由于光伏電站中連接點多，其串聯(lián)故障電弧的產(chǎn)生會引發(fā)火災(zāi)。而并聯(lián)電弧是在光伏電感交匯處，由于電壓過高，產(chǎn)生的電弧是兩條光伏電纜交匯處，由于電線的老化或絕緣層的破壞，導(dǎo)致形成電壓，最終引起并聯(lián)故障電弧。因此，電弧引發(fā)的火災(zāi)是發(fā)電站中火災(zāi)發(fā)生的主要原因。

（二）環(huán)境因素

例如，內(nèi)蒙古地區(qū)屬于雷電多發(fā)地區(qū)，因此電站容易遭受雷擊，最終引發(fā)火災(zāi)。大部分發(fā)電站位于平原地區(qū)，極易遭受雷擊，目前雷電主要包括直擊雷、感應(yīng)雷、雷電波侵入以及球形雷，發(fā)電站的各個部件一旦遭受雷擊時，將產(chǎn)生大量的高溫，最終引發(fā)火災(zāi)以及爆炸。一般情況下，電站受到的維奇多維感應(yīng)雷，由于其周圍空曠，且發(fā)電站內(nèi)設(shè)備多為金屬體，因此在雷電放電時，金屬導(dǎo)體會產(chǎn)生靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)，使金屬部件之間產(chǎn)生火花，引發(fā)易燃易爆品的火災(zāi)事故。由于發(fā)電站周圍會建設(shè)電線線路，因此雷電波容易對電線進行沖擊，雷電會隨著線路以及管道進行傳播，最終入侵到發(fā)電站內(nèi)，造成配電裝置的短路，最終引發(fā)爆炸現(xiàn)象。球形雷是較大的雷擊事故，球形雷的表面溫度可達上千攝氏度，弱電站遭到球形雷雷擊極易發(fā)生火災(zāi)。雷電造成的火災(zāi)是發(fā)電站中重要的火災(zāi)因素，發(fā)電站的建筑物屬性、發(fā)電設(shè)備的材料等都會對雷電產(chǎn)生影響，吸引雷電，最終導(dǎo)致雷擊火災(zāi)的發(fā)生[2]。

（三）熱斑效應(yīng)

光伏發(fā)電站中，晶體硅是光伏組件的主要材料，但晶體硅材料容易產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。在某些狀況下，部分太陽能電池被遮擋，從而消耗其他有光照的太陽能電池的能量，被遮擋的太陽能電池的表面溫度較高，最終產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的太陽能電池的損壞率較高，導(dǎo)致電池的破損以及電池的效率降低，晶體硅電池熱斑效應(yīng)更加強烈。目前晶體硅太陽能電池的效率在15%左右，電池表面一般會附有減反膜，減少電池對光的反射效率，這時大部分晶體硅太陽能電池對光的反射率小于10%[3]。一般晶體硅屬于半導(dǎo)體材料，其具有強烈吸收光能的性質(zhì)，太陽能電池在吸收光能的同時，用于光伏發(fā)電產(chǎn)生對外做功，電池在吸收光能時，會導(dǎo)致太陽能表面發(fā)熱，目前的太陽能電池并未達到理想效果，存在一定的內(nèi)部阻力，不斷消耗光伏效應(yīng)的能量，最終產(chǎn)生熱能。因此，光斑效應(yīng)是光伏電站直流系統(tǒng)火災(zāi)發(fā)生的原因。

四、光伏電站直流系統(tǒng)火災(zāi)控制措施

光伏電站應(yīng)配備相應(yīng)的火災(zāi)控制措施，建立完整的火災(zāi)管理系統(tǒng)，完善防范火災(zāi)的報警系統(tǒng)，通過各項計算機軟件技術(shù)，設(shè)計溫感傳感器，對設(shè)備溫度以及環(huán)境溫度進行監(jiān)測，降低火災(zāi)發(fā)生率。在進行直流系統(tǒng)設(shè)計過程中，要采用多組串逆變器及更加智能的光伏電站系統(tǒng)，保證直流匯流箱，直流配電柜以及逆變器等大型直流設(shè)備能夠更加穩(wěn)定，減少自燃現(xiàn)象發(fā)生，同時要加強對于光伏發(fā)電站各部分的日常巡邏工作，保證光伏電站處于較為安全的環(huán)境之中。此外，光伏電站直流系統(tǒng)在設(shè)計過程中，要注意對于雷電的防范，建立多個避雷裝置，保證雷擊發(fā)生時，光伏電站的安全性，通過火災(zāi)防控手段保證電站運行的穩(wěn)定性。

結(jié)論：

本文分析了光伏電站問題產(chǎn)生的原因，認為一般情況下光伏電站的起火原因為設(shè)備起火、氣候干燥、雷電事故、熱斑效應(yīng)情況導(dǎo)致。因此要針對以上問題做好相應(yīng)的防范措施，保障光伏電站直流系統(tǒng)的發(fā)電穩(wěn)定性。

參考文獻

[1] 劉璟璇，高源辰，楊志豪，劉皓明.光伏電站電氣火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（23）：98-101.

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[3] 張勝紅.光伏電站火災(zāi)探測系統(tǒng)干擾問題及對策研究[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017（48）：132-133.

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