屋頂光伏電站防拉弧改造技術(shù)研究與應(yīng)用

楊吉洲 黃世清 李新軍

摘 要：在屋頂光伏電廠（站）運(yùn)行中，直流發(fā)電系統(tǒng)是非常重要的組成部分，直流發(fā)電系統(tǒng)部分是否安全可靠，直接影響著整個(gè)發(fā)電廠的安全運(yùn)行。某項(xiàng)目位于廣州市黃埔區(qū)某物流園，總面積約11萬m2，光伏組件鋪設(shè)方式為沿彩鋼瓦大面積平鋪，密集緊湊。現(xiàn)通過分析該項(xiàng)目分布式光伏電站直流發(fā)電系統(tǒng)中存在的問題，結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行整改優(yōu)化，從而降低故障發(fā)生率，減少故障處理導(dǎo)致的電量損失與經(jīng)濟(jì)損失，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，增加電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：直流發(fā)電系統(tǒng);高溫潮濕環(huán)境;短路故障;防拉弧

0 引言

迄今為止，太陽能的開發(fā)和利用已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，逐漸成為綠色領(lǐng)域的前沿技術(shù)[1]。光伏組件中的電池?zé)岚咝?yīng)是一個(gè)能嚴(yán)重破壞光伏組件中的光伏電池，并影響組件發(fā)電性能的不利因素。嚴(yán)重的熱斑效應(yīng)可導(dǎo)致電池局部燒毀或形成暗斑、焊點(diǎn)熔化、封裝材料老化或蓋板玻璃炸裂等永久性損壞，降低光伏組件輸出功率，縮短使用壽命[2]。

某項(xiàng)目位于廣州市黃埔區(qū)某物流園，總面積約11萬m2，光伏組件鋪設(shè)方式為沿彩鋼瓦大面積平鋪，密集緊湊。該項(xiàng)目地處熱帶，屬于熱帶季風(fēng)氣候，旱雨季明顯，雨季降水量大，常年高溫潮濕。受周邊環(huán)境因素影響，在該分布式光伏電站日常運(yùn)行過程中，光伏組件至逆變器之間的直流輸電系統(tǒng)會(huì)發(fā)生電纜老化、組件連接頭制作工藝不達(dá)標(biāo)等導(dǎo)致的短路故障。然而，運(yùn)行人員在監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，并不能立即發(fā)現(xiàn)短路故障，而是需要檢修人員現(xiàn)場(chǎng)檢查電流、電壓后才能確認(rèn)，對(duì)故障處理所需時(shí)間拖延較久，嚴(yán)重影響電力生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

2017年8月17日，該項(xiàng)目分布式光伏電站光伏發(fā)電設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)生MC4接頭短路拉弧，擊穿彩鋼瓦屋面，造成彩鋼瓦屋頂隔熱棉碳化2～3 m2后自行熄滅，屋頂下方為儲(chǔ)物倉(cāng)庫，所幸未造成惡劣影響。若后續(xù)再次發(fā)生同類事件，造成重大事故，經(jīng)濟(jì)損失將無法估量。為了保障發(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)分布式光伏電站直流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造與升級(jí)。

由圖1可知，該項(xiàng)目分布式光伏電站2017年發(fā)生MC4接頭短路拉弧故障5次，2018年發(fā)生MC4接頭短路拉弧故障3次，2019年發(fā)生MC4接頭短路拉弧故障4次，2020年發(fā)生MC4接頭短路拉弧故障3次，年均發(fā)生MC4接頭短路拉弧故障4次。因此，對(duì)該項(xiàng)目分布式光伏電站進(jìn)行整改優(yōu)化，從而降低故障發(fā)生率，減少故障處理所帶來的電量損失與經(jīng)濟(jì)損失，提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，增加電廠經(jīng)濟(jì)收益，已經(jīng)迫在眉睫。

1 直流發(fā)電系統(tǒng)故障調(diào)研分析

光伏系統(tǒng)工作在直流高電壓和大電流下，線纜絕緣老化、連接受潮、接觸器接觸不良、磨損、腐蝕或機(jī)械壓力導(dǎo)致的松動(dòng)、靠近熱源等都會(huì)產(chǎn)生直流電弧[3]。因此，有必要進(jìn)行項(xiàng)目質(zhì)量控制，避免屋頂因光伏系統(tǒng)施工而發(fā)生漏水，以及光伏組件、匯流箱等電氣設(shè)備發(fā)生短路燃燒，給電站帶來不必要的損失[4]。

通過對(duì)分布式光伏電站直流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，并對(duì)檢修臺(tái)賬記錄情況及運(yùn)行數(shù)據(jù)展開綜合統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備在高溫潮濕環(huán)境，特別是雨季或臺(tái)風(fēng)過后，組件連接頭制作工藝不達(dá)標(biāo)更容易發(fā)生直流絕緣損壞拉弧等故障，嚴(yán)重影響電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。詳細(xì)分析如下：

（1）該項(xiàng)目坐落于廣東省廣州市黃埔區(qū)某物流園，屬于熱帶地區(qū)，且雨季降水量大，常年高溫潮濕。直流發(fā)電設(shè)備鋪設(shè)在屋頂，電力電纜的鋪設(shè)環(huán)境非常惡劣，電纜絕緣層容易老化腐蝕。

（2）該項(xiàng)目臨近工業(yè)地區(qū)，工業(yè)污染較嚴(yán)重，每年定期組織兩次光伏組件清洗，容易對(duì)組件連接部分造成接觸不良、開路、短路影響;而組件鋪設(shè)緊湊，直流電纜以及MC4接頭清洗過程中，電纜絕緣層易受潮造成接觸不良。

（3）該項(xiàng)目由于面積大、設(shè)備數(shù)量多、巡檢費(fèi)時(shí)費(fèi)力、運(yùn)維人員短缺，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)定位故障效率低，無法有效避免直流電弧問題。

2 直流系統(tǒng)升級(jí)改造

2.1 ? ?改造目標(biāo)

在直流系統(tǒng)中，若發(fā)生絕緣老化或破壞、金屬接頭松動(dòng)、高壓線路開路或接地等故障，都可能伴隨直流電弧的產(chǎn)生。電弧是電導(dǎo)體間明亮的放電，通常具有很高的溫度，容易使故障范圍迅速擴(kuò)大，從而損壞導(dǎo)線絕緣，點(diǎn)燃附近的可燃物，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)甚至發(fā)生爆炸，威脅供電電源和控制電路的安全[5]。為了減少光伏組件與逆變器之間的連接線，提高運(yùn)行可靠性，方便系統(tǒng)維護(hù)，可在光伏組件與逆變器之間增加直流防雷匯流裝置[6]。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，深入研究分析后決定從解決直流側(cè)拉弧問題入手，加強(qiáng)技術(shù)改進(jìn)與投入，減少設(shè)備故障的發(fā)生。

同時(shí)，改造后系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)應(yīng)能及時(shí)預(yù)警和控制，合力爭(zhēng)取把故障造成的損失降到最低，保證屋頂光伏電站運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

2.2 ? ?實(shí)施方案

直流電弧可以看作一個(gè)非線性電阻，電弧的伏安特性表現(xiàn)出非線性和反比例特性。直流電弧的電氣特性對(duì)間隙距離的依附性較大。電弧平均電流隨間隙距離增大而線性減小，且隨著電極直徑的增加，電弧電流總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，當(dāng)電極直徑較小時(shí)，電極直徑增加，電弧電流減小趨勢(shì)比較明顯，但隨著電極直徑的不斷增加，電弧電流減小趨勢(shì)將變得不再明顯。

電極移動(dòng)速度對(duì)電弧發(fā)展過程有較大影響，電弧電流突變隨著移動(dòng)速度的增加而增加。另外，直流電弧電流中存在的高頻分量主要集中在150 kHz以下[5]。

某物流園B區(qū)光伏項(xiàng)目因直流電弧故障導(dǎo)致屋頂彩鋼瓦出現(xiàn)破損，使用防拉弧箱后，可以針對(duì)光伏電站中頻發(fā)的串聯(lián)電弧及接地電弧進(jìn)行有效的識(shí)別及切斷保護(hù)動(dòng)作，保證光伏系統(tǒng)穩(wěn)定、安全。防拉弧箱經(jīng)測(cè)試后可以穩(wěn)定運(yùn)行。

該光伏項(xiàng)目屋頂采用華為逆變器，防拉弧箱安裝在B7-04NB號(hào)逆變器與光伏組件之間。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了兩個(gè)部分的測(cè)試，第一個(gè)部分是對(duì)于串聯(lián)電弧的測(cè)試，第二個(gè)部分是對(duì)于接地電弧的測(cè)試。

2.2.1 ? ?防拉弧箱安裝

防拉弧箱使用35 mm導(dǎo)軌進(jìn)行固定安裝，導(dǎo)軌與支架采用？準(zhǔn)8 mm螺栓與螺母進(jìn)行固定。

2.2.2 ? ?串聯(lián)電弧檢測(cè)

串聯(lián)電弧檢測(cè)使用UL 1699B認(rèn)證中規(guī)定的串聯(lián)電弧發(fā)生器進(jìn)行。電弧發(fā)生器串聯(lián)接入逆變器的組串中，此次試驗(yàn)針對(duì)B7-04NB的8個(gè)組串均進(jìn)行測(cè)試。

進(jìn)行串聯(lián)電弧測(cè)試需要完成以下幾個(gè)步驟：

（1）關(guān)閉逆變器電源開關(guān)，將電弧發(fā)生器接入系統(tǒng)中。

（2）打開逆變器電源開關(guān)，使逆變器正常工作。

（3）轉(zhuǎn)動(dòng)電弧發(fā)生器的橫向調(diào)節(jié)裝置，使電弧發(fā)生器產(chǎn)生直流電弧。

（4）電弧主機(jī)執(zhí)行脫扣動(dòng)作，并將故障通道顯示在屏幕上。

串聯(lián)電弧測(cè)試結(jié)果：現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)防拉弧箱內(nèi)8個(gè)組串分別進(jìn)行串聯(lián)電弧測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均通過。

2.2.3 ? ?接地電弧檢測(cè)

接地電弧檢測(cè)使用外皮破損的直流電纜線直接碰觸系統(tǒng)接地端，模擬現(xiàn)場(chǎng)極易發(fā)生的接地電弧擊穿彩鋼瓦屋面的情況。

進(jìn)行接地電弧測(cè)試需要完成以下幾個(gè)步驟：

（1）關(guān)閉逆變器電源開關(guān)，將破損線纜接入系統(tǒng)中。

（2）打開逆變器電源開關(guān)，使逆變器正常工作。

（3）用破損線纜觸碰系統(tǒng)接地端，并伴隨火花聲。

（4）電弧主機(jī)執(zhí)行脫扣動(dòng)作，并將故障通道顯示在屏幕上。

接地電弧測(cè)試結(jié)果：現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)防拉弧箱內(nèi)8個(gè)組串分別進(jìn)行接地電弧測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均通過。

2.2.4 ? ?后臺(tái)報(bào)警與通信

當(dāng)防拉弧箱發(fā)現(xiàn)電弧存在并驅(qū)動(dòng)分勵(lì)脫扣器后，系統(tǒng)后臺(tái)可觀測(cè)到逆變器狀態(tài)發(fā)生改變，并出現(xiàn)報(bào)警信息。因?yàn)榉览∠鋬?nèi)還接入了智能網(wǎng)關(guān)模塊，所以傳輸效率及可靠性高，中控室后臺(tái)能及時(shí)無誤地收到信號(hào)。

在故障發(fā)生后，及時(shí)而準(zhǔn)確地確認(rèn)故障支路與故障類別，是十分必要的，它直接影響到故障的處理速度和經(jīng)濟(jì)損失。

在直流發(fā)電系統(tǒng)中也是一樣，改造后，當(dāng)支路發(fā)生接地故障時(shí)，可以在確定支路回路的同時(shí)顯示出故障類別，讓值班員對(duì)故障情況有一定的了解，也讓檢修效率有了較大提升。

3 整改效果與效益分析

3.1 ? ?整改效果

2020年6月，該項(xiàng)目開始著手對(duì)屋頂光伏電站防拉弧技術(shù)進(jìn)行整改升級(jí)，截至9月份，202臺(tái)逆變器已全部整改完成。此次屋頂光伏電站直流側(cè)防拉弧改造技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以提高運(yùn)維質(zhì)量，降低運(yùn)維成本，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、杜絕安全隱患，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，還可以為電站運(yùn)營(yíng)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 ? ?效益分析

3.2.1 ? ?改造前

單臺(tái)逆變器價(jià)值1.68萬元，約（5+3+4+3）/4×1.68=

6.3萬元。

每年損失發(fā)電量約0.5萬kW·h，約0.5×1.13=0.565萬元。

間接破壞的屋面需800元修復(fù)一個(gè)點(diǎn)，造成損失（5+3+4+3）/4×0.08=0.3萬元。

3.2.2 ? ?改造成本

單個(gè)方陣改造所需材料：1個(gè)箱體、1個(gè)防雷器、1個(gè)主控模塊、2只電弧傳感器、2只熔斷器、9套接插件、25 m 1×4線材、1套輔材、1套成材。

單臺(tái)逆變器改造成本：1×480+1×120+1×450+2×130+2×12+9×10+25×10+1×200+1×250=2 124元。

則202臺(tái)逆變器改造總成本合計(jì)：2 124×202=429 048元。

3.2.3 ? ?改造后

直接經(jīng)濟(jì)效益：由項(xiàng)目電站結(jié)算單可知，單臺(tái)逆變器1.68萬元左右，202臺(tái)逆變器總價(jià)格在340萬元左右;光伏組件總計(jì)35 094塊，總價(jià)值約3 132萬元。上述加裝防拉弧箱的技術(shù)改造，能為公司帶來直接的設(shè)備安全的經(jīng)濟(jì)效益約3 472萬元。

4 結(jié)語

綜上所述，此次針對(duì)光伏組件直流發(fā)電系統(tǒng)拉弧問題進(jìn)行的升級(jí)改造，達(dá)到了預(yù)期效果，可靠保證了光伏電廠直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，有效減少了故障處理時(shí)間與人工成本，大大降低了生產(chǎn)成本及光伏發(fā)電直流系統(tǒng)的故障發(fā)生率，切實(shí)提高了光伏發(fā)電量及設(shè)備完好利用率。

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收稿日期：2021-07-22

作者簡(jiǎn)介：楊吉洲（1983—），男，甘肅張掖人，助理工程師，研究方向：水利電氣技術(shù)。