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如何让光伏系统的火灾防患于未然?
2018-11-26

光伏发电是当今世界的尖端科技,可为人类解决能源危机、环境污染和可持续发展等三大世界难题。虽然短期光伏遇到政策性困扰,但随着组件等材料价格下降,光伏发电对政策补贴的依赖性也越来越低,从长远上看,光伏还是大有可为,将会越来越普及。光伏系统不同于家电产品,当光伏系统发生重大故障后,需要有专业的装置在保证人身安全的情况下尽量减小损失。根据统计,60%以上的光伏电站火灾是因为直流电弧,今天我们就来学习一下什么是直流电弧,如何检测,如何防患。

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1、什么是直流电弧,起因和破坏力如何?

直流电弧是一种气体放电现象,可以理解为绝缘情况下产生的高强度瞬时电流。根据文献报道: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直流电弧。

跟交流电弧不一样的是,直流电弧没有过零点,意味着如果发生了直流电弧,触发部位会维持相当长一段时间稳定燃烧而不熄灭。

在光伏电站中,电缆接头没有拧紧,会导致接触不良;接插件或者直接开关的可靠性;绝缘层长时间老化,由于外力导致绝缘层破损等问题,都会造成直流电弧。随着电站运行时间增加,出现直流电弧的概率也会增加。

直流电弧产生的高温轻易超过3000℃,能够直接导致起火。综合国内外的案例和数据,直流电弧俨然已经成为引发电站火灾的头号杀手。

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2、直流电弧的发生概率有多大?

不考虑其他接触件以及绝缘部位,在一个10MW的分布式电站中,光接触点便超过了80,000个,它们时刻存在发生直流电弧的可能性。即便在25年的电站运行时间中只有1/1000的接触点发生直流电弧,这个电站也会发生80次直流电弧事件,引起火灾的概率非常之高。

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若不采取及时有效地防护措施,会产生3000℃以上的高温现象,引发火灾,某些物质熔化甚至蒸发产生大量的有毒气体,进而危及人身生命安全和国家的经济遭受重大损失。因此2011年美国电工法NEC690.8规定光伏系统中直流电压大于80V必须配备检测故障电弧的检测装置和断路器,而UL也制定相应标准UL1699B用以检测评估光伏直流电弧的有效方法。 

3电弧故障类型 

电弧故障主要是由于电缆导线电气绝缘性能老化、破损,污染及空气潮湿引起的空气击穿,或者电气连接松动等原因造成的,是一种穿过绝缘介质的连续发光和放电过程,是一个时变的非线性过程。电弧在放电的过程中,主要特性有强光、热、噪声、电磁辐射、电压电流的高突变率以及电弧电流在某些频带内的变化等。 

针对光伏系统发生的故障电弧,总体归纳来看,主要分为两类: 

01串行电弧,是一条电流导线在未预期的情况下扯断或断裂,在其断裂处即会产生串联故障电弧。这种不佳的接触点发生于太阳组件与组件之间、快速接头之间、接线与接线盒之间,或是断裂的连接在线。光伏系统因为有成千上万个接点,因此,串行电弧是引起火灾危险的主要潜在因素。 
02并行电弧,是一个未预期的路径刚好通过两个极性相反的导体之间发生的意外即为并行故障电弧。此类故障电弧的成因常是小动物咬破电线、外力造成电线破损等,电线失去既有的绝缘功效,并让正负两极的金属互相接触产生了故障电弧状况。 

虽然并行故障电弧的发生机率远小于串行故障电弧,但是其带来的危险性确是远远超过后者。另外,接地故障也是一种并行故障电弧的典型型态。 

4、直流电弧故障的检测方法 

在光伏系统中产生的电弧可分为正常电弧和非正常电弧两种。断路器的正常关断等操作所引起的电弧属正常电弧;而电线老化、接触不良等故障引起的电弧属于不正常电弧,这就代表着电弧检测要正确地分辨好弧和坏弧;因为存在着这样复杂的因素,往往给故障电弧检测带来了较大的挑战,同时也给检测方式和算法提出更高的要求。 

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故障电弧的检测就是在电弧产生的初始阶段,通过传感器检测电弧在物理上和电气上的各种参数变化,加以分析来判断是否有电弧产生。  

1、基于电压电流变化的检测 

故障电弧发生时候必然会导致电压和电流的变化,在故障电弧发生时,电压会瞬间升高,而电流值会瞬间下降,这样就可以利用电压和电流的变化来判断是否产生电弧。 

但是这样的检测也有其局限性,第一是需要判定电弧产生的具体位置才能更好的检测电压和电流波形,第二在发生并联故障电弧时,逆变器的输入端电流波形只出现较小的跌落,电压波形略有下降,这就要求检测设备必须具有较高的精度,不然会引起频繁的误判报警,同时也因为光伏系统受光照和温度变化的影响,光伏组件的输出电流和电压幅值不稳定,给检测带来更大的困难。 

2、基于故障电流特性的检测 

该方法是通过电流检测的方式对高通滤波得到的高频信号、低通滤波得到的低频信号进行特征值统计,目前这种方法得到普遍的运用。 

在故障电弧发生时,故障电流中都含有大量的谐波分量,幅值发生变化,通过对故障电流信号时域特性和频域特性进行详细的分析,依据故障信号各自的共性和个性,利用快速傅立叶变换和小波变换提取故障电流的特征值,提高故障识别的灵敏性和准确性。    

在光伏系统中,由于光伏阵列组成了庞大的系统使得直流电弧故障需要较高的检测精度,也由于光伏电站的输出受温度和日照强度变化,逆变器本身的拓扑结构和电气设备辐射等影响,使得故障电弧的检测容易受到干扰。因此,直流电弧检测未来的发展方向是覆盖尽可能多的电弧故障,且不发生误动作。

火灾是光伏电站经济效益损失最大的事故,如果是安装在厂房或者民居屋顶上,还很容易危及人身安全。光伏电站一旦发生火灾,不能直接用水来灭火,首先要以最快的速度切断电源,古瑞瓦特在多款机型上推出一种电路保护装置AFCI(Arc-Fault Circuit-Interrupter),其主要作用是防止故障电弧引起火灾。它有检测并区别逆变器在启停或开关时产生的正常电弧和故障电弧的能力,发现故障电弧后及时切断电路。这个电路有以下特点:

具备有效的直流电弧识别能力,允许最大直流电流可达60A;具备友好的接口,可遥接控制断路器或连接器等;具备485通信功能,可实时监控模块状态;LED、蜂鸣器可作为快速识别模块工作状态,声光报警;功能模块化,易于移植到各个系列产品中。

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