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

在国家双碳政策下，光伏发电将在未来能源结构中占据主体地位，也将进入蓬勃发展的新时代。2021年，分布式光伏电站新增装机容量首次超过集中式电站，标志着分布式光伏电站进入规模化快速增长阶段。决议点。

“安全”是各行各业的命脉，是一票否决的原则性问题。光伏电站的安全运行也是电站获得投资回报的基础。随着“全县推广”工程的不断实施，一大批政府机关、学校、医院、住宅屋顶，以及加油站、各类棚屋和工商业彩钢瓦屋顶安装了光伏电站；可再生能源建筑政策也将促进BIPV（Building pvintegration）市场的蓬勃发展。长期以来，光伏电站的“防直流电弧”和“防火”一直是光伏电站的难点、屋顶电站的痛点、政府关注的焦点、舆论关注的焦点.

消防安全隐患

       直流电弧的产生是光伏电站最常见的故障现象。触点脱落、器件老化、绝缘破裂、接地不良等都会产生电弧。而且，直流电弧的危害远大于交流电弧，因为直流电弧没有过零点，一旦发生，会持续燃烧，难以熄灭，是很容易引起火灾事故。据统计，光伏电站一半以上的火灾事故是由直流电弧引起的。随着光伏组件规格越来越大，直流侧系统的功率和电流也越来越大。根据焦耳定律Q=I²Rt，电流增加一倍，短路点热效应增大。4倍，引发火灾的风险也大大增加。

直流电弧分类

国家标准GB/T 16895.32-2021中对直流电弧的描述：

与传统电气产品不同，PV 模块及其接线没有完整的外壳来容纳由组件和接线故障引起的电弧和火花，而许多 PV 装置能够在维持直流电弧的典型直流电压下运行。

光伏装置中的电弧主要分为三类：

---串联电弧可能是接线不正确或串联接线断线引起的

---并联电弧可能是由不同电位的相邻线路之间的局部短路引起的

---绝缘故障引起的接地电弧

串弧      

串联弧，又称拉弧。串联电弧通常是由于组件间电缆插头接触不良，组串电缆与汇流箱或逆变器接触不良引起的。由于光伏电站串接插头较多，一个1MW的屋顶光伏电站就有2000对插头。这么多对插头，很难保证所有的插头都质量好。，这些隐患导致接触不良，形成直流电弧。

目前，少数逆变器集成了电弧保护功能，但这种保护存在两个主要问题：第一，如果一个组串出现电弧故障，将导致整个逆变器停机，造成很大损失。发电量损失；二是没有电弧故障定位功能，运维人员无法及时、准确地找到电弧的位置，本质上是无解的。他们唯一能做的技术复位保护就是保持逆变器运行。由此看来，逆变器集成的拉弧保护功能并不能真正有效解决拉弧故障问题。

平行弧

并联电弧主要是由于线路损坏造成正负导体短路，或串电缆间短路引起的。当组串电缆受到机械挤压或磨损时，正负极之间或不同组串之间会产生拉弧，为并联电弧故障。还有一种情况也会导致平行弧。当系统中的串联电弧不及时处理时，串联电弧的热量会烧坏电缆的绝缘层，并联电弧也会产生。

当元件方阵的主导导体之间出现并联电弧时，由于电弧能得到足够的能量，较难熄灭，会引起重大火灾事故。串联故障电弧可以通过断开直流母线或光伏系统相应组串来熄灭，但并联故障电弧无法熄灭，甚至可能导致更大的电流通过电弧路径，使电弧更加剧烈。

目前逆变器集成的电弧保护功能无法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。

地弧

元器件老化损坏或机械损坏导致对地放电。如果将构件平铺在彩钢瓦屋顶上，会产生地弧或漏电。这种故障不容易发现，尤其是在下雨天。目前解决办法是先关闭逆变器，等地面干了再开机。这种方法不能有效消除隐患，增加人身触电的风险。

直流高压

      在光伏电站中，光伏组件串联起来形成直流高压电路，一般达到1000V左右。即使在系统关闭时，光伏组件矩阵中仍存在约1000伏的直流高压。尤其是屋顶光伏电站，当光伏电站和建筑物发生火灾时，安全救援难度大；在电厂的日常运行维护或物业维护中，操作人员和检查人员也有触电的危险。

情景风险分析

政府机关、学校、医院、住宅楼顶

情景风险分析：

1、区域管控，无法使用无人机扫描元器件异常，无法及时发现隐患；

2、人口密集，元件方阵有漏电，人员触电危险大；

3.救援有限。发生火灾等紧急情况时，组串高压无法关断，妨碍救援；

4.舆论的影响。如果发生火灾等事故，舆论影响会更大；

各种彩钢瓦屋面

情景风险分析：

1、巡检难，彩钢瓦屋面巡检不便，不能及时发现电弧安全隐患；

2.救援有限。发生火灾等紧急情况时，组串高压无法关断，妨碍救援；

3、屋顶易碎，直流电弧火花容易烧穿彩钢瓦进入下层空间，引起火灾和财产损失；

煤棚、车棚、材料棚、养殖棚

1、检查难度大，吊顶检查不便，无法及时发现电弧安全隐患；

2.救援有限。发生火灾等紧急情况时，组串高压无法关断，妨碍救援；

3、屋顶易碎，直流电弧火花容易烧穿屋顶进入室内，造成重大财产损失；

加油站、酒类、化工、面粉等厂区

情景风险分析：

1、在高危场景，需要及时发现电弧、停机、报警、定位，有效消除隐患；

2、易燃易爆，缺乏安全防护措施，易引发重大安全事故

公路、高速公路、河流等地区

情景风险分析：

1、环境隐患，烟头和元器件零星的电弧火花，很容易导致下面的杂草燃烧；

2、巡检难，场地狭长不便巡检，操作维护困难，隐患不能及时发现；

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，当车辆或其他事故损坏元器件时，不能及时关断组串的高压，很可能造成严重的二次事故。

相关立法：

我们：

根据最新版国家电气规范 NEC2020 文件的要求：

到光伏矩阵的距离以305mm为限。超出限值，触发装置启动后30S内电压降至30V以下；电压降至 80V 以下。

加拿大：

当光伏系统直流侧电压大于80V时，应安装电弧故障遮断装置或其他等效设备。

当光伏系统安装在建筑物内或建筑物上时，应安装快速关断装置。距离光伏组件1米，触发快速关断装置后，要求在30S内将电压降至30V以下。

德国：

根据德国标准VDE-AR-E 2100-712要求：

在光伏系统中，如果逆变器关闭或电网出现故障，直流电压需要小于120V。提到使用关断装置使直流链路电压低于 120V。

澳大利亚：

根据最新的 AS/NZS 5033:2021 标准第 4.3.3 节：

当直流电压大于120Vd.c时，需要在模块和逆变器之间安装断开装置。

泰国：

泰国电气规范第 4.3.13 节：太阳能屋顶电源安装 2022：

要求屋顶光伏电站必须配备快速关断装置，距离光伏矩阵300mm为限。设备启动后30秒内将限制范围内的电压降至80V以下，限制范围外的电压降至30V以下。

丰郜“安全保护”方案

四合一功能：

组件级快速关断

组件级数字化管理

元件级拉弧实时检测、主动保护和故障定位

并联电弧和漏电实时检测、主动保护和故障定位

目前逆变器集成的弧光保护功能还不够完善，无法定位故障部位，无法准确定位无法及时有效处理。只有“元器件级”的检测和保护方案才能覆盖串联电弧、并联电弧和接地电弧，能够准确定位电弧故障位置，也能实现漏电故障的检测和定位。