基于感溫電纜光伏電站火災(zāi)預(yù)警方法研究

■ 王哲 劉莉敏 劉璇璇 林燕梅

(1.北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司; 2.北京鑒衡認證中心)

0 引言

近年來隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的問題也暴露在人們面前，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)的火災(zāi)問題，特別是與建筑結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)的火災(zāi)，可能造成人身、財產(chǎn)的巨大損失，尤其應(yīng)引起業(yè)內(nèi)重視。圖1為光伏電站燃燒后的近景(圖1a)及某屋頂光伏電站的光伏組件發(fā)生燃燒時的全景(圖1b)，燃燒現(xiàn)場慘不忍睹。

圖1 光伏組件燃燒現(xiàn)場

為了減少火災(zāi)事故的發(fā)生，一方面應(yīng)提高產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面應(yīng)增加預(yù)防措施。經(jīng)統(tǒng)計，光伏發(fā)電系統(tǒng)的起火點一般發(fā)生于逆變器、光伏組件、電纜和匯流箱。圖2是在德國召開的第九屆光伏防火安全研討會上德國聯(lián)邦環(huán)境部及自然保護和核安全(BMU)組織提供的光伏發(fā)電系統(tǒng)火災(zāi)起因各部件比例直方圖[1]。該圖顯示逆變器所占的比例最高，但其安裝地相對集中，較易監(jiān)控。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)測的難點在于大面積或分散安裝的光伏組件、電纜、匯流箱的著火點監(jiān)控。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)火災(zāi)起因各部件比例直方圖

目前，國內(nèi)外已有少數(shù)業(yè)主采用有人值守視頻監(jiān)控和專業(yè)火災(zāi)報警方式。對于大面積光伏組串，由于成本限制僅采用視頻監(jiān)控，往往都是火勢起來后才能監(jiān)測到，很難做到著火點早期發(fā)現(xiàn)并及時處理。而專業(yè)火災(zāi)報警可做到著火點早期預(yù)警，但投入成本高，應(yīng)用較少。本文提出利用感溫電纜與匯流箱結(jié)合，實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警、報警功能的兩種方法，可克服現(xiàn)有專業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)成本高、人工視頻監(jiān)控無法做到早期預(yù)警的問題。

1 感溫電纜監(jiān)測原理

感溫電纜又名線型感溫火災(zāi)探測器，具有沿全線長連續(xù)監(jiān)測保護對象溫度的能力，保護面積大、定位準確、適應(yīng)環(huán)境性強、安裝布線簡單，非常適合光伏組件、電纜、匯流箱的監(jiān)測。感溫電纜一般分為68 ℃、88 ℃、105 ℃、138 ℃、180 ℃5個級別。在電站應(yīng)用中感溫電纜與光伏組件和匯流箱連接電纜同步并行鋪設(shè)，依據(jù)不同的場合可選用不同額定動作溫度的感溫電纜。

感溫電纜由兩根用熱敏材料絕緣的絲組成, 其探測原理是：當光伏組件、電纜和匯流箱溫度升高到一定值時，熱敏材料感應(yīng)溫度使電阻降低，可利用匯流箱監(jiān)控模塊對這種電阻值變化進行監(jiān)測。

感溫電纜的溫度范圍選擇要根據(jù)鋪設(shè)地的實際情況綜合考慮。例如山東即墨某光伏電站，2012年實測數(shù)據(jù)表明組件全年最高溫度不超過50 ℃，圖3給出了2012年7月22日－8月1日這段時間內(nèi)的溫度曲線。根據(jù)易燃材料電纜皮的主要成分及可燃點，匯流箱溫度全年都在60 ℃以下，所以選擇88 ℃等級的感溫電纜實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)測報警。對于其他地方，可利用類似方法依據(jù)當?shù)丨h(huán)境因素合理選擇感溫電纜。

圖3 山東即墨光伏電站環(huán)境與組件溫度曲線

2 利用匯流箱與電站監(jiān)控系統(tǒng)進行火災(zāi)預(yù)警的方法

2.1 火災(zāi)預(yù)警智能匯流箱與系統(tǒng)之間連接關(guān)系

火災(zāi)預(yù)警智能匯流箱與系統(tǒng)之間連接關(guān)系如圖4所示。圖中通過點劃線突出表示感溫電纜與電力電纜并行鋪設(shè)到匯流箱內(nèi)，經(jīng)匯流箱監(jiān)測后由通訊電纜上傳到電站監(jiān)控系統(tǒng)。

圖4 火災(zāi)預(yù)警智能匯流箱與光伏系統(tǒng)之間連接關(guān)系框圖

2.2 監(jiān)測原理

火災(zāi)預(yù)警智能匯流箱與系統(tǒng)關(guān)系原理圖如圖5所示。其中， A虛線為分隔線，右側(cè)為智能匯流箱，左側(cè)為光伏陣列；B虛線框內(nèi)為組件匯流單元；C框為監(jiān)測單元；D為LED匯流箱表面燈光報警指示；E為光伏陣列及光伏陣列與匯流箱連接電纜；F為感溫電纜；G為感溫電纜在匯流箱內(nèi)關(guān)鍵點鋪設(shè)。

圖5 火災(zāi)預(yù)警智能匯流箱與系統(tǒng)關(guān)系原理圖

分別將感溫電纜1到感溫電纜n一端通過I/O接線端子與“監(jiān)控單元”I/O對應(yīng)連接，如圖6所示。

圖6 利用匯流箱與光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)進行火災(zāi)預(yù)警的原理圖

同樣匯流箱內(nèi)G感溫電纜在匯流箱內(nèi)關(guān)鍵點(接線端子、熔絲、避雷器、斷路器、母排等)鋪設(shè)并與“監(jiān)控單元”I/O對應(yīng)連接。

正常時監(jiān)控單元I/O口為高電平即I1電平為Vcc，當光伏陣列、光伏陣列與匯流箱連接電纜和匯流箱某一部分溫度升高到一定值時，熱敏材料感應(yīng)溫度使電阻降低，如感溫電纜a與b點阻值降低或短路，此時由于感溫電纜b點經(jīng)限流電阻R3接-Vcc，所以短路前a點電壓近似-Vcc，而I1電壓為Vcc與-Vcc在R1、R2、R3上的分壓為0 V低電平，I/O口低電平被中斷，經(jīng)監(jiān)控單元軟件處理識別，分別啟動匯流箱表面LED燈光閃爍告警，同時利用智能匯流箱通訊，同步向電站監(jiān)控管理系統(tǒng)實時發(fā)送報警信息。I/O感溫電纜的多少取決于匯流箱接入光伏陣列數(shù)量。

電站監(jiān)控管理系統(tǒng)接收報警信息，解析信息數(shù)據(jù)，可快速在電站監(jiān)控管理系統(tǒng)終端界面顯示并定位發(fā)熱部件位置，聲光報警同步啟動。

集電池組件匯流、電參數(shù)監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警及數(shù)據(jù)通訊于一體，不僅保證原有功能又達到火災(zāi)預(yù)警的目的，實現(xiàn)具有火災(zāi)預(yù)警功能的智能匯流箱。監(jiān)測界面示例如圖7所示。

圖7 監(jiān)測界面示例圖

3 利用匯流箱和視頻服務(wù)器聯(lián)動進行火災(zāi)預(yù)警的方法

許多電站為了防范火災(zāi)發(fā)生，一般都安裝網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)(見圖8)，當起火點被發(fā)現(xiàn)時，事故已發(fā)生，如若救助不及時則會造成人員財產(chǎn)重大的損失。為此本文提出一種利用匯流箱監(jiān)測感溫電纜，匯流箱輸出與視頻服務(wù)器聯(lián)動進行火災(zāi)預(yù)警、報警的方法，實現(xiàn)視頻監(jiān)控終端快速視頻定位，并聲光報警。

圖8 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 匯流箱和視頻服務(wù)器聯(lián)動進行火災(zāi)預(yù)警、報警與系統(tǒng)之間連接關(guān)系

匯流箱和視頻服務(wù)器聯(lián)動進行火災(zāi)預(yù)警、報警與系統(tǒng)之間連接關(guān)系如圖9所示。

圖9 匯流箱和視頻服務(wù)器聯(lián)動進行火災(zāi)預(yù)警與光伏系統(tǒng)之間連接關(guān)系圖

3.2 監(jiān)控原理說明

監(jiān)控原理如圖10所示。其中，S為視頻聯(lián)動信號；Q為匯流箱通、斷信號。

圖10 利用匯流箱和視頻服務(wù)器聯(lián)動進行火災(zāi)預(yù)警的原理圖

當監(jiān)控單元監(jiān)測到I/O狀態(tài)改變時，此時監(jiān)控單元啟動S視頻聯(lián)動信號，控制視頻服務(wù)器報警輸入端Alarm In，視頻服務(wù)器檢測到Alarm In報警信號并利用與視頻監(jiān)控終端通訊發(fā)出報警信息，此報警信息被視頻監(jiān)控終端解析后視頻終端圖像快速切換到報警現(xiàn)場圖像，同時發(fā)出聲光報警信號，監(jiān)控終端人員通過報警視頻現(xiàn)場LED燈光閃爍報警快速定位。

4 結(jié)論

該文提出了一種基于感溫電纜和匯流箱智能監(jiān)控模塊的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，選用熱敏絕緣材料熔點高于光伏組件最高溫度，低于電纜皮的最低燃點的感溫電纜，可在火災(zāi)形成之前進行預(yù)警、報警。通過實時監(jiān)控匯流箱的每組輸入陣列，達到電站監(jiān)控系統(tǒng)終端快速定位告警陣列回路(組件、電纜)的目的。

該方法在智能匯流箱上實現(xiàn)，監(jiān)測部分不需增加硬件成本，只在軟、硬件上略有改動，便可在實現(xiàn)匯流的同時完成火災(zāi)預(yù)警、報警的目的。與專業(yè)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)相比，取代了專業(yè)成本高的監(jiān)控單元及火災(zāi)監(jiān)控中心或上位機等，在相同數(shù)量的感溫電纜情況下，成本大大降低，并達到專業(yè)火災(zāi)監(jiān)測目的，施工簡單具有很強的操作性及實用性。

電站監(jiān)控系統(tǒng)與視頻服務(wù)器兩種監(jiān)控方法結(jié)合應(yīng)用效果更好。

[1] Hermann Laukamp.PV systems and fire hazard[A]. 9th wordshop on the Fnture Direction of Photovoltaics[C], Fukuoka, 2013.