故障電弧在光伏電站的應(yīng)用

摘  要：國家雙碳政策下，光伏發(fā)電將在未來能源結(jié)構(gòu)中承擔主力軍角色，同時也將進入一個蓬勃發(fā)展的新時代。2021年，分布式光伏電站新增容量超過集中式電站，標志著分布式光伏電站進入大規(guī)模快速增長階段，但是，隨之而來的“安全問題”也越來越多，已經(jīng)到了迫切需要解決的地步。

       “安全”是一切產(chǎn)業(yè)的命脈，是一票否決的原則性問題，光伏電站安全運營也是電站取得投資回報的根基所在。隨著“整縣推進”項目不斷落地實施，大量、學(xué)校、醫(yī)院、居民屋頂以及加油站、各種料棚和工商業(yè)彩鋼瓦屋頂安裝光伏電站；可再生能源建筑政策也將推動BIPV（建筑光伏一體化）市場繁榮發(fā)展。一直以來，光伏電站“防電弧”和“防火災(zāi)”發(fā)生是光伏電站的難點、屋頂電站的痛點、政府關(guān)注的重點。

關(guān)鍵詞：光伏電站；故障電弧；電氣火災(zāi)

 

       近年來，光伏電站火災(zāi)事故頻發(fā)，這不僅損失電站財產(chǎn)、發(fā)電收益，嚴重時還會造成建筑物損壞和人身傷害，甚至蔓延到周邊環(huán)境，導(dǎo)致一系列次生災(zāi)害發(fā)生。

       電弧產(chǎn)生是光伏電站中常見的故障現(xiàn)象，由于接點脫落、器件老化、絕緣破裂、接地不良等情況都會產(chǎn)生電弧。

 

1.1 串聯(lián)電弧

      串聯(lián)電弧，又稱為拉弧。串聯(lián)電弧通常由組件間電纜插頭接觸不良、組串電纜與匯流箱或者逆變器的連接不牢靠等原因造成。

1.2 并聯(lián)電弧

      并聯(lián)電弧主要由線路破損引起的正負極性導(dǎo)體短接，或者組串電纜之間短接引起的。當組串電纜被機械擠壓或磨損時，在正負極之間，或者不同組串之間就會產(chǎn)生電弧放電，這就是并聯(lián)電弧故障。還有一種情況也會導(dǎo)致并聯(lián)電弧，當系統(tǒng)出現(xiàn)串聯(lián)電弧沒有及時處理時，串聯(lián)電弧的熱量燒壞電纜絕緣層，也會產(chǎn)生并聯(lián)電弧。

      當組件方陣主導(dǎo)體之間發(fā)生并聯(lián)電弧，由于電弧能夠得到足夠能量，更加難以熄滅，將會造成重大火災(zāi)事故。通過斷開光伏系統(tǒng)直流母線或相應(yīng)組串可以熄滅串聯(lián)故障電弧，然而卻無法熄滅并聯(lián)故障電弧，甚至可能導(dǎo)致更大的電流通過電弧通路，使電弧燃燒更加劇烈。

      目前，逆變器中集成的電弧保護功能，不能檢測并聯(lián)電弧和接地電弧，但并聯(lián)電弧的破壞力往往是串聯(lián)電弧的10倍，安全隱患更大。

1.3 接地電弧

      部件老化破損或機械損傷導(dǎo)致對地放電，如果組件平鋪在彩鋼瓦屋頂上，將出現(xiàn)接地電弧或漏電情況。這種故障不易排查發(fā)現(xiàn)，尤其雨天更是常見，目前，解決方法為逆變器停機，等接地處干燥后再開機運行，這種方法并不能有效排除隱患，同時增加人身觸電的風險。

      為了減少電氣火災(zāi)的發(fā)生，特別是對末端負載的故障電弧進行檢測，我國針對故障電弧檢測出臺了一些列的標準和政策。

     《故障電弧探測器》GB14287.4-2014

      由上述國標要求可知：故障電弧主要針對的是末端負載，負載功率在10KW以下。

     《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB50116-2013：

      9.1.6條文說明 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置不應(yīng)影響供電系統(tǒng)的正常工作，不宜自動切斷供電電源。

      9.2.4條文說明 具有探測線路故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，其保護線路長度不宜大于100m

      12.4.6條文說明 電氣線路應(yīng)設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，照明線路上應(yīng)設(shè)置具有探測故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。

      12.4.6條文說明 高度大于12m的空間場所較大的隱患就是電氣火災(zāi)，因此設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。照明線路故障引起的火災(zāi)占電氣火災(zāi)的10％左右，此類建筑的頂部較高，發(fā)火災(zāi)在不容易被發(fā)現(xiàn)，也沒法在其上面設(shè)置其他探測器，只有設(shè)置具有探測故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，才能保證對照明線路故障引起的火災(zāi)的有效探測。

      由上述國標要求可知：故障電弧主要針對的是末端的照明回路，且檢測回路長度不超過100米。

 

      為了解決光伏電站的故障電弧問題，安科瑞研發(fā)的AAFD系列的故障電弧，可有效監(jiān)控光伏電站末端用電回路的故障電弧。

      AAFD系列故障電弧探測器對接入線路中的故障電弧（包括故障并聯(lián)電弧、故障串聯(lián)電弧）進行有效的檢測，當檢測到線路中存在引起火災(zāi)的故障電弧時，可以進行現(xiàn)場的聲光報警，并將報警信息傳輸給上端監(jiān)控設(shè)備，以實現(xiàn)預(yù)警火災(zāi)發(fā)生的目的。

      AAFD系列故障電弧探測器適用于工業(yè)與民用建筑中10KW及其以下的電氣線路，其保護線路長度不宜大于100米。產(chǎn)品遵循國標GB 14287.4-2014，可適用于光伏電站末端、養(yǎng)老院、學(xué)校、商業(yè)建筑、賓館、工廠、庫房、圖書館、辦公室、家庭住宅、以及娛樂場所等。

安科瑞一站式保護方案

      解決方案：

系統(tǒng)組網(wǎng)圖如下：

       故障電弧可以對接AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺，具備強大的數(shù)據(jù)接收、處理、存儲、訪問能力，平臺融合了電力監(jiān)控、電能統(tǒng)計、電氣安全等功能，互聯(lián)互通，高效互動。

       我國光伏電站建設(shè)正在如火如荼地進行中，已經(jīng)走進千家萬戶與老百姓生產(chǎn)生活緊密相連，如何保障光伏電站的“安全性”正在引起全行業(yè)的高度重視。隨著央國企電力集團布局光伏產(chǎn)業(yè)，電站運行中的安全問題更是提高到重中之重的位置。要想有效解決這一問題，需要整個行業(yè)群策群力提出創(chuàng)新性解決方案，并且不斷完善相關(guān)標準和法規(guī)，并在后續(xù)電站建設(shè)中真正落實相關(guān)要求。

       2022年4月26日，中央財經(jīng)委員會第十一次會議，研究全面加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)問題，提出構(gòu)建現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益、安全效益相統(tǒng)一，服務(wù)國家重大戰(zhàn)略，支持經(jīng)濟社會發(fā)展。光伏電站作為重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施，安全穩(wěn)定高效運行是經(jīng)濟發(fā)展的重要保障。