故障电弧在分布式光伏电站的应用

【摘要】：国家双碳政策下，光伏发电将在未来能源结构中承担主力军角色，同时也将进入一个蓬勃发展的新时代。2021年，分布式光伏电站新增容量超过集中式电站，标志着分布式光伏电站进入大规模快速增长阶段，但是，随之而来的“安全问题”也越来越多，已经到了迫切需要解决的地步。
“安全”是一切产业的命脉，是一票否决的原则性问题，光伏电站安全运营也是电站取得商业回报的根基所在。随着“整县推进”项目不断落地实施，大量政府机关、学校、医院、居民屋顶以及加油站、各种料棚和工商业彩钢瓦屋顶安装光伏电站。一直以来，光伏电站“防电弧”和“防火灾”发生是光伏电站的难点、屋顶电站的痛点、政府关注的焦点、社会舆论的焦点。
【关键词】：光伏电站；故障电弧；电气火灾
1. 前言
近年来，光伏电站火灾事故频发，这不仅损失电站财产、发电收益，严重时还会造成建筑物损坏和人身伤害，甚至蔓延到周边环境，导致一系列次生灾害发生。
电弧产生是光伏电站中常见的故障现象，由于接点脱落、器件老化、绝缘破裂、接地不良等情况都会产生电弧。
2. 电弧分析
l 串联电弧
串联电弧，又称为拉弧。串联电弧通常由组件间电缆插头接触不良、组串电缆与汇流箱或者逆变器的连接不牢靠等原因造成。
l 并联电弧
并联电弧主要由线路破损引起的正负极性导体短接，或者组串电缆之间短接引起的。当组串电缆被机械挤压或磨损时，在正负极之间，或者不同组串之间就会产生电弧放电，这就是并联电弧故障。还有一种情况也会导致并联电弧，当系统出现串联电弧没有及时处理时，串联电弧的热量烧坏电缆绝缘层，也会产生并联电弧。
当组件方阵主要导体之间发生并联电弧将会造成重大火灾事故。通过切断光伏系统直流母线或相应组串可以熄灭串联故障电弧，然而却无法熄灭并联故障电弧，甚至可能导致更大的电流通过电弧通路，使电弧燃烧更加剧烈。
目前，逆变器中集成的电弧保护功能，不能检测并联电弧和接地电弧，但并联电弧的破坏力往往是串联电弧的10倍，安全隐患更大。
l 接地电弧
部件老化破损或机械损伤导致对地放电，如果组件平铺在彩钢瓦屋顶上，将出现接地电弧或漏电情况。这种故障不易排查发现，尤其雨天更是常见，目前，解决方法为逆变器停机，等接地处干燥后再开机运行，这种方法并不能合理排除隐患，同时增加人身触电的风险。
3. 电弧相关标准及相关应用
为了减少电气火灾的发生，特别是对末端负载的故障电弧进行检测，我国针对故障电弧检测出台了一些列的标准和政策。
l 《故障电弧探测器》GB14287.4-2014
  由上述国标要求可知：故障电弧主要针对的是末端负载，负载功率在10KW以下。
l 《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2013
9.1.6 电气火灾监控系统的设置不应影响供电系统的正常工作，不宜自动切断供电电源。
9.2.4 具有探测线路故障电弧功能的电气火灾监控探测器，其保护线路长度不宜大于100m
12.4.6 电气线路应设置电气火灾监控探测器，照明线路上应设置具有探测故障电弧功能
的电气火灾监控探测器。
12.4.6条文说明 高度大于12m的空间场所的隐患就是电气火灾，因此设置电气火灾监控系统。照明线路故障引起的火灾占电气火灾的10％左右，此类建筑的顶部较高，发火灾在不容易被发现，也没法在其上面设置其他探测器，只有设置具有探测故障电弧功能的电气火灾监控探测器，才能保证对照明线路故障引起的火灾的合理探测。
由上述国标要求可知：故障电弧主要针对的是末端的照明回路，且检测回路长度不超过100米。
3. AAFD故障电弧探测器可对光伏电站末端故障电弧进行合理监测
为了解决光伏电站的故障电弧问题，安科瑞研发的AAFD系列的故障电弧，可合理监控光伏电站末端用电回路的故障电弧。
AAFD系列故障电弧探测器对接入线路中的故障电弧（包括故障并联电弧、故障串联电弧）进行合理的检测，当检测到线路中存在引起火灾的故障电弧时，可以进行现场的声光报警，并将报警信息传输给上端监控设备，以实现预警火灾发生的目的。
AAFD系列故障电弧探测器适用于工业与民用建筑中10KW及其以下的电气线路，其保护线路长度不宜大于100米。产品遵循国标GB 14287.4-2014，可适用于光伏电站末端、养老院、学校、商业建筑、宾馆、工厂、库房、图书馆、办公室、家庭住宅、以及娱乐场所等。
安科瑞一站式保护方案
解决方案：设置电气火灾监控系统，并在末端电箱设置故障电弧探测器。  系统组网图如下： 故障电弧可以对接AcrelEMS企业微电网能效管理平台，具备强大的数据接收、处理、存储、访问能力，平台结合了电力监控、电能统计、电气安全等功能，互联互通，合理互动。
  5、结束语
我国光伏电站建设正在如火如荼地进行中，已经走进千家万户与老百姓生产生活紧密相连，如何保障光伏电站的“安全性”正在引起全行业的高度重视。随着央国企电力集团布局光伏产业，电站运行中的安全问题更是提高到重中之重的位置。要想合理解决这一问题，需要整个行业群策群力提出创新性解决方案，并且不断完善相关标准和法规，并在后续电站建设中落实相关要求。
2022年4月26日，相关部门会议研究加强基础设施建设问题，提出构建现代化基础设施体系，实现经济效益、社会效益、安全和效益相统一，服务国家重大战略，支持经济社会发展。光伏电站作为重要的能源基础设施，安全稳定合理运行是经济发展的重要保障。
 
参考文献
[1].周中.电力仪表在大型公共建筑电能分项计量中的应用[J].现代建筑电气2010.6
[2].安科瑞电气股份有限公司产品选型手册.2020.08
[3].GB50116-2014 建筑设计防火规范[S].
[4].GB14287.4-2014 故障电弧探测器[S].