彩鋼瓦屋面光伏的火災(zāi)風險分析及防火對策

王冰

摘要：隨著全球能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)作為可再生清潔能源發(fā)展迅速，由于光伏電站是近幾年發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，工程建設(shè)和日常管理涉及消防設(shè)計和安全管理等一系列問題。本文介紹了光伏電站的組成、火災(zāi)危險性，并有針對性對經(jīng)常使用彩鋼瓦屋面光伏電站提出了安全措施和消防設(shè)施等設(shè)計要求，為此類建筑光伏電站的消防設(shè)計和安全管理提供了參考。

關(guān)鍵詞：消防;彩鋼瓦;光伏電站;火災(zāi)危險性;防火對策

1 引言

隨著世界常規(guī)能源供應(yīng)日益短缺和環(huán)境污染問題日益突出，人類已意識到能源和環(huán)境的危機，開始尋求再生清潔能源來代替常規(guī)能源。太陽能光伏發(fā)電因其清潔、安全、便利、高效等特點，成為世界各國普遍關(guān)注和重點發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。近年來，我國太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展，在工業(yè)和民用領(lǐng)域得到全面推廣，特別是一些大跨度彩鋼板屋頂上，閑置區(qū)域都被合理利用安裝上光伏電站，由此帶來的消防安全成為新的課題。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

在光照條件下，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動勢，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統(tǒng)輸入電壓的要求;再通過充放電控制器對蓄電池進行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來的電能貯存起來。晚上，蓄電池組為逆變器提供輸入電，通過逆變器的作用，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進行供電。蓄電池組的放電情況由控制器進行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統(tǒng)還應(yīng)有限荷保護和防雷裝置，以保護系統(tǒng)設(shè)備的過負載運行及免遭雷擊，維護系統(tǒng)設(shè)備的安全使用。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

光伏系統(tǒng)是由太陽能電池方陣，蓄電池組，逆變器，充放電控制器，交流配電柜等設(shè)備組成。其各部分設(shè)備的作用是：

（一）太陽能電池方陣：在有光照情況下，電池吸收光能，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，也就是“光生伏打效應(yīng)”，在此作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能，是能量。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。

（二）蓄電池組：其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負載供電。目前我國與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。

（三）逆變器：是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器，按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。

（四）充放電控制器：是能自動防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備，能控制蓄電池組過充電或過放電，延長蓄電池的使用壽命。

（五）交流配電柜：其在光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要作用是對備用逆變器的切換功能，保證系統(tǒng)的正常供電，同時還有對線路電能的計量。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的火災(zāi)危險性

自光伏系統(tǒng)出現(xiàn)以來，光伏相關(guān)的火災(zāi)就接二連三。看上去都是玻璃、金屬邊框的光伏系統(tǒng)，其實存在著各種安全隱患。

4.1光伏系統(tǒng)的材料

貌似都是金屬部件、玻璃等無機物，但事實上光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件電池方陣（電池板）包含大量可燃組件。光伏產(chǎn)品中可以燃燒的材料包括組件封裝材料、背板、接線盒、硅膠、電池片、導(dǎo)電膠、電纜絕緣層、電氣箱和逆變器中的各種元器件、線纜等。在起火時，這些材料都是可燃物。

4.2光伏系統(tǒng)的布設(shè)位置

因考慮到空間利用和發(fā)電率因素，現(xiàn)在我國光伏發(fā)電站大部分都設(shè)置在閑置屋頂、特別是一些大跨度的工商業(yè)彩鋼板屋頂上，這給日常維護檢查防范增加了很大的難度，更有一些光伏發(fā)電站設(shè)置在聚苯乙烯板（泡沫板）彩鋼瓦屋面上，一旦發(fā)生火災(zāi)難以撲救且迅速蔓延到整個建筑。

4.3光伏電氣系統(tǒng)的危險系數(shù)

只要是電氣系統(tǒng)，就有因為電流而起火的風險。隨著光伏技術(shù)的進步，光伏產(chǎn)品的功率等級和電流電壓不斷提高，光伏系統(tǒng)從最初的600V設(shè)計提高至1000V，現(xiàn)在又在向1500V轉(zhuǎn)型，更高的電壓更容易導(dǎo)致起火;高效電池的出現(xiàn)，讓電池片產(chǎn)生的電流更高，經(jīng)過匯流等措施，更高的電流容易導(dǎo)致系統(tǒng)溫度上升，甚至起火;安裝的普及導(dǎo)致組件運行發(fā)電的環(huán)境不受控，因為陰影或電池質(zhì)量問題帶來的熱斑效應(yīng)，或是環(huán)境本身起火而導(dǎo)致起火;電站設(shè)計安裝的不規(guī)范，如未做好有效接地、使用不合格產(chǎn)品等導(dǎo)致的起火等。

5 常見的彩鋼瓦屋面光伏火災(zāi)發(fā)生和蔓延的原因

5.1選址設(shè)計不合理

對于彩鋼瓦屋面的光伏系統(tǒng)，大部分光伏電纜都直接與彩鋼瓦屋面接觸，尤其在南方沿海地區(qū)，濕度高，溫度高，工作環(huán)境惡劣，另外光伏系統(tǒng)直流側(cè)打弧時有發(fā)生，接觸屋面的線纜打弧時會燒穿屋面甚至發(fā)生火災(zāi)[1]。

5.2系統(tǒng)安裝不規(guī)范和產(chǎn)品問題參差不齊

光伏發(fā)電站作為一種新興產(chǎn)物，市場上目前流入了許多不合格產(chǎn)品，甚至會以次充好、以舊充新。安裝施工時因安裝不當易造成玻璃劃傷或隱裂形成熱斑隱患，抗紫外、抗老化能力較差易造成組件衰減或壽命降低，防電擊、絕緣故障、過電流、接地、過電壓、防雷擊保護等不規(guī)范易造成電氣系統(tǒng)安全隱患，還有支架歪斜、螺栓銹蝕、基礎(chǔ)風化問題，線纜混用、接線錯誤、線纜裸露等問題，這些都會給火災(zāi)事故的發(fā)生埋下隱患。

5.3后期運維不當或欠缺

彩鋼瓦屋面的光伏系統(tǒng)因受設(shè)置位置制約，后期運維難度較大，運維人員到屋面操作時極易造成設(shè)備損傷形成隱裂、熱斑、接頭漏電、電線磨損等可能導(dǎo)致火災(zāi)的因素，因運維頻次等原因極易造成組件表面或邊框積灰形成的嚴重熱斑溫升從而導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。

5.4故障后無法緊急切斷

屋頂光伏電纜線槽內(nèi)的直流光伏電纜短路后，其故障將始終存在，無法自動切除，將導(dǎo)致起火蔓延;在救援人員上屋頂后也不能通過簡單操作切除電源，只能通過剪光伏線的方式切除光伏組件電源，給火災(zāi)撲救增加了難度。

5.5火災(zāi)報警和滅火設(shè)施不足

彩鋼瓦屋面的光伏系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)初期很難被發(fā)現(xiàn)，就會錯失第一時間撲救初期火災(zāi)，發(fā)生火災(zāi)后，屋頂光伏系統(tǒng)缺少必要的滅火設(shè)施，只能等消防人員前來撲救。屋頂光伏火災(zāi)滅火情景往往都是消防員遠遠地用水龍將火勢控制住，不讓火勢蔓延到其它地方，而已著火的區(qū)域就只能讓它燒光了。

6 彩鋼瓦屋面光伏火災(zāi)的防火對策

6.1合理選址并做好安裝防護措施

在光伏系統(tǒng)安裝前要合理選址，盡量安裝在附近沒有可燃物的平地或澆筑屋面，確需安裝在彩鋼瓦屋面屋面時要確保彩鋼瓦夾心材料為巖棉等不燃材料，并做好安裝相關(guān)防護措施。

一是合理布設(shè)太陽能電池方陣，可以參考防火分區(qū)的概念分區(qū)域間隔布設(shè)，不要布設(shè)在屋頂邊緣和運維難度較大的死角部位，為后期防護和運維留出間隔和通道;

二是可以考慮在彩鋼瓦和光伏電纜之間加裝額外的絕緣材料，比如套管，絕緣材料的線槽等，避免光伏電纜與彩鋼瓦直接接觸;

三是加裝在發(fā)生拉弧時關(guān)斷系統(tǒng)并及時排查故障直流拉弧檢測裝置，或者是加裝能夠在電弧發(fā)生時快速判斷電弧故障并及時斷開故障電路的電弧故障保護裝置。目前在北美超過80伏的光伏系統(tǒng)必須安裝直流拉弧檢測裝置，IEC也在開發(fā)直流拉弧裝置的標準，我國也出臺了安徽省地方標準《建筑光伏系統(tǒng)防火技術(shù)規(guī)范》（DB34/T3188-2018）要求光伏系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置電弧故障保護裝置[2]。

6.2嚴控施工安裝和產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)

在安裝施工時要嚴控施工單位進入門檻、嚴把產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)，確保具備資質(zhì)的優(yōu)質(zhì)施工單位施工安裝，確保使用的光伏組件和光伏構(gòu)件每樣都是合格產(chǎn)品，燃燒性能應(yīng)符合GB 8624-2012中不低于B1級的要求[3]，防火性能應(yīng)符合UL790中A級的要求。特別是要規(guī)范線纜連接施工，選用經(jīng)過認證的相關(guān)產(chǎn)品和有耐候性、阻燃性的直流線纜，同時保證施工符合國家電工標準，嚴把質(zhì)量關(guān)，無限降低直流電纜短路的概率。

6.3建立合理的運維制度和周期

根據(jù)不同項目的實際情況建立合理的運維制度和周期，一是安裝布設(shè)時和結(jié)合后期運維留出間隔和通道，避免運維時極易造成設(shè)備損傷形成隱裂、熱斑、接頭漏電、電線磨損等火災(zāi)隱患;二是定期排查設(shè)備隱患，及時清理組件表面或邊框積灰，全面排查隱患，防范于未然。

6.4加裝快速關(guān)斷裝置

美國NEC2017系統(tǒng)規(guī)范中明確規(guī)定需要在緊急情況下，將系統(tǒng)的直流電壓降低到80V以內(nèi)，以確保消防員可以迅速采取滅火措施，防止事故擴大。國內(nèi)的分布式標準也在逐步跟進，安徽省已出臺了首個光伏系統(tǒng)防火技術(shù)規(guī)范地方標準，要求建筑光伏系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置快速關(guān)閉裝置控制斷開建筑光伏系統(tǒng)直流和交流電路，直流電路在快速關(guān)閉裝置開始工作的10s內(nèi)，受控導(dǎo)線的電壓應(yīng)被限制不超過60V或回路電流應(yīng)被限制不超1mA。加裝快速關(guān)斷裝置后一旦光伏方陣出現(xiàn)問題（不管是不是光伏電纜短路還是別的）可以從組件端切斷線路，這樣的話整個陣列一直到逆變器交流輸出都是沒電的狀態(tài)，以便于防止火災(zāi)蔓延和更快的撲救火災(zāi)。

6.5設(shè)置火災(zāi)自動報警和滅火設(shè)施

根據(jù)建筑光伏系統(tǒng)的規(guī)模設(shè)置火災(zāi)自動報警及滅火設(shè)施，在匯流箱、電纜溝道管井、配電裝置室內(nèi)應(yīng)安裝火災(zāi)探測器，探測器類型的選擇、布置及敷設(shè)應(yīng)符合GB50116的要求;設(shè)置滅火器等消防器材，規(guī)模光伏系統(tǒng)還應(yīng)配置超細干粉等自動滅火系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)火災(zāi)可以第一時間發(fā)現(xiàn)并采取有效的滅火設(shè)施進行撲救，避免了火災(zāi)的蔓延擴大[4]。

7 結(jié)語

光伏發(fā)電是近年來發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，是解決未來能源需求的重要途徑。由于目前國標沒有制定專門的光伏發(fā)電站防火設(shè)計標準，對光伏系統(tǒng)設(shè)計中的消防要求作出具體規(guī)定，光伏發(fā)電站產(chǎn)品、施工、運維等標準要求也參差不齊，本文從光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理、構(gòu)成、火災(zāi)危險性、常見的火災(zāi)原因和防火對策等方面進行了闡述，為光伏火災(zāi)的預(yù)防提供了參考。

參考文獻：

[1] ?GB 50229-2019，火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標準[S].

[2] ?DB34/T 3188-2018，建筑光伏系統(tǒng)防火技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GB 8624-2012，建筑材料及制品燃燒性能分級[S].

[4] 蘇明濤，光伏電站火災(zāi)危險性及防火對策[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品? ? ?信息，2013（8）.