故障電弧在分布式光伏電站的應用

摘  要：國家雙碳政策下，光伏發電將在未來能源結構中承擔主力軍角色，同時也將進入一個蓬勃發展的新時代。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，已經到了迫切需要解決的地步。

       “安全”是一切產業的命脈，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，大量政府、學校、醫院、居民屋頂以及加油站、各種料棚和工商業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）市場繁榮發展。一直以來，光伏電站“防電弧”和“防火災”發生是光伏電站的難點、屋頂電站的痛點、政府關注的重點、社會的焦點。

關鍵詞：光伏電站；故障電弧；電氣火災

 

       近年來，光伏電站火災事故頻發，這不僅損失電站財產、發電收益，嚴重時還會造成建筑物損壞和人身傷害，甚至蔓延到周邊環境，導致一系列次生災害發生。

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

 

1.1 串聯電弧

      串聯電弧，又稱為拉弧。串聯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 并聯電弧

      并聯電弧主要由線路破損引起的正負極性導體短接，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生電弧放電，這就是并聯電弧故障。還有一種情況也會導致并聯電弧，當系統出現串聯電弧沒有及時處理時，串聯電弧的熱量燒壞電纜絕緣層，也會產生并聯電弧。

      當組件方陣主導體之間發生并聯電弧，由于電弧能夠得到足夠能量，更加難以熄滅，將會造成重大火災事故。通過斷開光伏系統直流母線或相應組串可以熄滅串聯故障電弧，然而卻無法熄滅并聯故障電弧，甚至可能導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，不能檢測并聯電弧和接地電弧，但并聯電弧的破壞力往往是串聯電弧的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致對地放電，如果組件平鋪在彩鋼瓦屋頂上，將出現接地電弧或漏電情況。這種故障不易排查發現，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。

      為了減少電氣火災的發生，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。

     《火災自動報警系統設計規范》GB50116-2013：

      9.1.6條文說明 電氣火災監控系統的設置不應影響的正常工作，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監控探測器，其保護線路長度不宜大于100m

      12.4.6條文說明 電氣線路應設置電氣火災監控探測器，照明線路上應設置具有探測故障電弧功能的電氣火災監控探測器。

      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，因此設置電氣火災監控系統。照明線路故障引起的火災占電氣火災的10％左右，此類建筑的頂部較高，發火災在不容易被發現，也沒法在其上面設置其他探測器，只有設置具有探測故障電弧功能的電氣火災監控探測器，才能保證對照明線路故障引起的火災的有效探測。

      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，安科瑞研發的AAFD系列的故障電弧，可有效監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（包括故障并聯電弧、故障串聯電?。┻M行有效的檢測，當檢測到線路中存在引起火災的故障電弧時，可以進行現場的聲光報警，并將報警信息傳輸給上端監控設備，以實現預警火災發生的目的。

      AAFD系列故障電弧探測器適用于工業與民用建筑中10KW及其以下的電氣線路，其保護線路長度不宜大于100米。產品遵循國標GB 14287.4-2014，可適用于光伏電站末端、養老院、學校、商業建筑、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：

系統組網圖如下：

       故障電弧可以對接AcrelEMS企業微電網能效管理平臺，具備強大的數據接收、處理、存儲、訪問能力，平臺融合了電力監控、電能統計、電氣安全等功能，互聯互通，高效互動。

       我國光伏電站建設正在如火如荼地進行中，已經走進千家萬戶與老百姓生產生活緊密相連，如何保障光伏電站的“安全性”正在引起全行業的高度重視。隨著央國企電力集團布局光伏產業，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，需要整個行業群策群力提出創新性解決方案，并且不斷完善相關標準和法規，并在后續電站建設中真正落實相關要求。

       2022年4月26日，中央財經委員會第十一次會議，研究全面加強基礎設施建設問題，提出構建現代化基礎設施體系，實現經濟效益、社會效益、生態效益、安全效益相統一，服務國家重大戰略，支持經濟社會發展。光伏電站作為重要的能源基礎設施，安全穩定高效運行是經濟發展的重要保障。

 

[1].周中.電力儀表在大型公共建筑電能分項計量中的應用[J].現代建筑電氣2010.6

[2].安科瑞電氣股份有限公司產品選型手冊.2020.08

[3].GB50116-2014 建筑設計防火規范[S].

[4].GB14287.4-2014 故障電弧探測器[S].