光伏電站直流系統火災原因探討

李海濤

摘 ?要：隨著社會對電力需求度的持續提升，減少光伏電站事故成為人們關注的重點，基于此，本文主要對光伏電站直流系統火災原因進行探討，希望能夠減少安全隱患以及財產損失，為我國發電事業健康發展提供建議。

一、引言

近年來，光伏發電技術已經成為世界上新材料領域研究與應用最成熟、最有發展前景的一種重要工藝之一。因此，太陽能發電作為目前最具規模化和市場價值最高效電力能源開發方法，逐漸被國際公認為國家重點戰略產業，國家光伏發電逐步向高耗能電站轉變，因此，光伏發電站一旦發生火災事故，其后果不堪設想，會對安全生產造成極大影響并產生嚴重后果。所以電站直流系統被作為研究對象，探討其火源、溫度及濕度等條件下電氣設備起火的原因，能夠保證電力供應安全可靠穩定運行。

二、光伏電站直流系統

光伏發電站是利用光伏發電生產電能，是利用太陽能通過轉換機制，將太陽輻射轉換為電能的發電技術。該技術使太陽照射在太陽能組件上時，太陽電池吸收光子能量，形成伏特效應，太陽電池的兩極用導線形成回路后，能夠形成光生電流，產生電能。光伏電站的主要發電系統有太陽電池組件方陣，一般情況下，太陽能電池分為單晶硅電池和多晶硅太陽能電池以及非晶硅太陽能電池。目前不同類型的太陽能電池組件達到的最高效率也不同，一般情況下，單晶硅電池為24%，多晶硅電池為18%，非晶硅電池為12.8%，非晶硅電池相較于單晶硅與多晶硅電池更加穩定。其次，還具備控制逆變裝置，由于地球上的太陽能輻射隨時變化，因此，光伏發電系統不夠穩定，控制逆變裝置轉換直流電與交流電，保證光伏發電的穩定性。同時，太陽能發電站具備蓄電池組，能夠儲存電能。目前光伏發電站中具有發展前景的系統，為光伏并網發電系統相較于傳統的離網光伏發電系統，該系統中缺乏蓄電池，其能夠將產生的電流通過并網逆變器直接匯入電網，且投資小，安全性也較高[1]。

一般情況下，光伏系統的構成是由太陽能電池組件相互串聯，通過直流匯流箱進行整流形成直流電，之后通過逆變器轉換為交流電匯入電網之中。光伏發電站是由多個發電單元構成。光伏發電系統可分為獨立光伏發電、并網光伏發電和分布式光伏發電系統。通過安裝容量可分為小型、中型以及大型光伏發電系統，

三、光伏電站直流系統火災原因

（一）設備故障因素產生電弧導致火災

以億晶EG-260P60-C組件為例，其功率為260W，工作電流為8.42A，短路電流為8.98A，工作電壓為30.88V，開路電壓為37.75V。光伏電站直流側隨著投入運行年限增加，電子元件老化、電纜破裂、觸點松動或者動物抓咬等原因，都可能引起故障電弧，直流電弧產生的高溫若超過3000℃，能夠直接導致起火，而光伏電站火災大多數均由故障電弧引起。

1.光伏方陣故障

一般光伏方陣出現故障引發的火災是由于電纜的絕緣層進行損壞，導致光伏某組件與光伏支架之間產生短路，配電柜中的斷路器的電流迅速增加，從而引發火災。以多晶硅太陽能電池組件為例，為保證電池片最大程度地接受太陽光線，其上蓋板中的鋼化玻璃必須擁有一定的透光度。因此，在進行光照時，一旦電池組件材料不合格，將引起火災。一般情況下，光伏方陣引發的火災分為四個階段，首先是光伏電池板由于過熱，導致溶解之后產生熱分解現象，最終著火并持續燃燒。太陽能輻射極其不穩定，一旦輻射量增加時，太陽能電池板會發生物理以及化學性質的改變，太陽能電池板在高輻射的狀態下，會逐漸呈現玻璃態，高彈態以及粘流態，隨著輻射量的增加，溫度進一步升高，最終導致分子鏈滑動，內部聚合物在持續的溫度上升過程中，不斷揮發可燃氣體，當與空氣氧氣接觸時會發生燃燒進而引發火災。

2.匯流箱故障

匯流箱是光伏電站中的重要設施，其在短路后容易產生火災。匯流箱故障中，包括串聯組短路、匯流箱電源模塊溫度升高等等產生電弧。一般情況下，電弧中心部分可維持將近10000度的高溫電弧，具有高溫高導電性的特征，最終引發匯流箱的設備故障。光伏電站中匯流箱數量較多，其具有巨大的負荷，通過直流母排匯入短路點時，會造成短路回路現象，此時匯流箱直流斷路器，若未跳開短路處母線，短時間內的通過電流較大，形成電弧，最終導致設備起火。

3.電纜故障

光伏電纜在設計過程中具有安全載流量的設置，一旦電流超過其安全載流量，電感先會產生發熱現象，發熱量過大會導致表面溫度過高，最終導致電纜著火燃燒。光伏電站中電纜的著火原因為串聯或并聯電弧兩種方式，當光伏電纜出現斷裂時，會產生串聯故障電弧，由于光伏電站中連接點多，其串聯故障電弧的產生會引發火災。而并聯電弧是在光伏電感交匯處，由于電壓過高，產生的電弧是兩條光伏電纜交匯處，由于電線的老化或絕緣層的破壞，導致形成電壓，最終引起并聯故障電弧。因此，電弧引發的火災是發電站中火災發生的主要原因。

（二）環境因素

例如，內蒙古地區屬于雷電多發地區，因此電站容易遭受雷擊，最終引發火災。大部分發電站位于平原地區，極易遭受雷擊，目前雷電主要包括直擊雷、感應雷、雷電波侵入以及球形雷，發電站的各個部件一旦遭受雷擊時，將產生大量的高溫，最終引發火災以及爆炸。一般情況下，電站受到的維奇多維感應雷，由于其周圍空曠，且發電站內設備多為金屬體，因此在雷電放電時，金屬導體會產生靜電感應或電磁感應，使金屬部件之間產生火花，引發易燃易爆品的火災事故。由于發電站周圍會建設電線線路，因此雷電波容易對電線進行沖擊，雷電會隨著線路以及管道進行傳播，最終入侵到發電站內，造成配電裝置的短路，最終引發爆炸現象。球形雷是較大的雷擊事故，球形雷的表面溫度可達上千攝氏度，弱電站遭到球形雷雷擊極易發生火災。雷電造成的火災是發電站中重要的火災因素，發電站的建筑物屬性、發電設備的材料等都會對雷電產生影響，吸引雷電，最終導致雷擊火災的發生[2]。

（三）熱斑效應

光伏發電站中，晶體硅是光伏組件的主要材料，但晶體硅材料容易產生熱斑效應。在某些狀況下，部分太陽能電池被遮擋，從而消耗其他有光照的太陽能電池的能量，被遮擋的太陽能電池的表面溫度較高，最終產生熱斑效應。產生熱斑效應的太陽能電池的損壞率較高，導致電池的破損以及電池的效率降低，晶體硅電池熱斑效應更加強烈。目前晶體硅太陽能電池的效率在15%左右，電池表面一般會附有減反膜，減少電池對光的反射效率，這時大部分晶體硅太陽能電池對光的反射率小于10%[3]。一般晶體硅屬于半導體材料，其具有強烈吸收光能的性質，太陽能電池在吸收光能的同時，用于光伏發電產生對外做功，電池在吸收光能時，會導致太陽能表面發熱，目前的太陽能電池并未達到理想效果，存在一定的內部阻力，不斷消耗光伏效應的能量，最終產生熱能。因此，光斑效應是光伏電站直流系統火災發生的原因。

四、光伏電站直流系統火災控制措施

光伏電站應配備相應的火災控制措施，建立完整的火災管理系統，完善防范火災的報警系統，通過各項計算機軟件技術，設計溫感傳感器，對設備溫度以及環境溫度進行監測，降低火災發生率。在進行直流系統設計過程中，要采用多組串逆變器及更加智能的光伏電站系統，保證直流匯流箱，直流配電柜以及逆變器等大型直流設備能夠更加穩定，減少自燃現象發生，同時要加強對于光伏發電站各部分的日常巡邏工作，保證光伏電站處于較為安全的環境之中。此外，光伏電站直流系統在設計過程中，要注意對于雷電的防范，建立多個避雷裝置，保證雷擊發生時，光伏電站的安全性，通過火災防控手段保證電站運行的穩定性。

結論：

本文分析了光伏電站問題產生的原因，認為一般情況下光伏電站的起火原因為設備起火、氣候干燥、雷電事故、熱斑效應情況導致。因此要針對以上問題做好相應的防范措施，保障光伏電站直流系統的發電穩定性。

參考文獻

[1] 劉璟璇，高源辰，楊志豪，劉皓明.光伏電站電氣火災監控預警系統研究[J].科技創新與應用，2020（23）：98-101.

[2] 馬力.光伏電站雷電災害預警及風險評估[J].通信電源技術，2019，36（07）：270-271.

[3] 張勝紅.光伏電站火災探測系統干擾問題及對策研究[J].中國戰略新興產業，2017（48）：132-133.

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