導語

國家雙碳政策下，光伏發電将在未來能源結構中承擔主力軍角色，同時也将進入一個蓬勃發展的新時代。2021年，分布式光伏電站新增容量首次超過集中式電站，标志着分布式光伏電站進入大規模快速增長階段，但是，随之而來的“安全問題”也越來越多，已經到了迫切需要解決的地步。

“安全”是一切産業的命脈，是一票否決的原則性問題，光伏電站安全運營也是電站取得投資回報的根基所在。随着“整縣推進”項目不斷落地實施，大量政府機關、學校、醫院、居民屋頂以及加油站、各種料棚和工商業彩鋼瓦屋頂安裝光伏電站；可再生能源建築政策也将推動BIPV（建築光伏一體化）市場繁榮發展。一直以來，光伏電站“防直流電弧”和“防火災”發生是光伏電站的難點、屋頂電站的痛點、政府關注的重點、社會輿論的焦點。

火災安全隐患

近年來，光伏電站火災事故頻發，這不僅損失電站财産、發電收益，嚴重時還會造成建築物損壞和人身傷害，甚至蔓延到周邊環境，導緻一系列次生災害發生。

直流電弧産生是光伏電站中最常見的故障現象，由于接點脫落、器件老化、絕緣破裂、接地不良等情況都會産生電弧。并且，直流電弧的危害遠遠大于交流電弧，因為直流電弧不存在過零點，一旦産生就會持續燃燒，很難熄滅，極易造成火災事故。據統計，光伏電站過半數火災事故是由直流電弧引起，随着光伏組件規格越做越大，直流側系統功率和電流增強，根據焦耳定律Q=I²Rt可知電流增大一倍，短路點熱效應增加4倍，引起火災的風險也極大地增加。

直流電弧分類

國标GB/T 16895.32-2021 中關于直流電弧的描述：

和傳統的電氣産品不同，對于PV組件和其線路，沒有一個整體外殼來收納由元件和線路故障引起的電弧和火花，而許多PV裝置卻能夠在維持直流電弧的典型直流電壓下運行。

PV裝置中的電弧主要有三個類别：

---可能因錯誤接線或者串聯接線斷裂造成的串聯電弧

---可能因不同電位的相鄰線路之間部分短路而造成的并聯電弧

---因絕緣故障造成的接地電弧

串聯電弧

串聯電弧，又稱為拉弧。串聯電弧通常由組件間電纜插頭接觸不良、組串電纜與彙流箱或者逆變器的連接不牢靠等原因造成。由于光伏電站中的串聯插頭衆多，1MW屋頂光伏電站就有2000個對插點，如此多對插點很難保證所有插頭品質優良，很難保證所有接點對插良好，而且日積月累，插頭存在老化問題，這些隐患導緻其接觸不良，形成直流電弧。

當前，少數逆變器中集成了拉弧保護功能，但是這種保護存在兩個重大問題：第一，如果有一個組串出現拉弧故障，那麼整個逆變器就會停機，造成極大的發電量損失；第二，沒有拉弧故障定位功能，運維人員無法及時精準地找到電弧發生的位置，本質上就是無解，他們唯一能做的技術複位保護，使逆變器繼續運行。如此看來，逆變器中集成拉弧保護功能，無法真正有效地解決拉弧故障問題。

并聯電弧

并聯電弧主要由線路破損引起的正負極性導體短接，或者組串電纜之間短接引起的。當組串電纜被機械擠壓或磨損時，在正負極之間，或者不同組串之間就會産生電弧放電，這就是并聯電弧故障。還有一種情況也會導緻并聯電弧，當系統出現串聯電弧沒有及時處理時，串聯電弧的熱量燒壞電纜絕緣層，也會産生并聯電弧。

當組件方陣主導體之間發生并聯電弧，由于電弧能夠得到足夠能量，更加難以熄滅，将會造成重大火災事故。通過斷開光伏系統直流母線或相應組串可以熄滅串聯故障電弧，然而卻無法熄滅并聯故障電弧，甚至可能導緻更大的電流通過電弧通路，使電弧燃燒更加劇烈。

目前，逆變器中集成的電弧保護功能，不能檢測并聯電弧和接地電弧，但并聯電弧的破壞力往往是串聯電弧的10倍，安全隐患更大。

接地電弧

部件老化破損或機械損傷導緻對地放電，如果組件平鋪在彩鋼瓦屋頂上，将出現接地電弧或漏電情況。這種故障不易排查發現，尤其雨天更是常見，目前，解決方法為逆變器停機，等接地處幹燥後再開機運行，這種方法并不能有效排除隐患，同時增加人身觸電的風險。

直流高壓

在光伏電站中，光伏組件采用串聯方式形成直流高壓電路，一般達到1000V左右，即使系統停機時，光伏組件矩陣内仍然存在千伏左右的直流高壓。尤其屋頂光伏電站，當光伏電站和建築物發生火災時，很難安全施救；在日常電站運維檢修或物業保養時，運檢人員也存在觸電風險。

場景風險分析

政府機關、學校、醫院、居民屋頂

場景風險分析：

1、區域管制，無法使用無人機進行組件異常掃描，隐患無法及時發現；

2、人口密集，組件方陣出現漏電，人員觸電風險較大；

3、搶險受限，遭遇火災等緊急情況時組串高壓無法關斷，阻礙救援；

4、輿論影響，若發生火災等事故，社會輿論影響較大；

各種彩鋼瓦屋頂

場景風險分析：

1、巡檢較難，彩鋼瓦屋頂不便巡檢，電弧安全隐患不能及時發現；

2、搶險受限，遭遇火災等緊急情況時組串高壓無法關斷，阻礙救援；

3、屋頂脆弱，直流電弧火花易燒穿彩鋼瓦進入下部空間，引起火災，造成财産損失；

煤棚、車棚、料棚、養殖棚

場景風險分析：

1、巡檢較難，頂棚不便巡檢，電弧安全隐患不能及時發現；

2、搶險受限，遭遇火災等緊急情況時組串高壓無法關斷，阻礙救援；

3、棚頂脆弱，直流電弧火花易燒穿棚頂進入内部，造成重大财産損失；

加油站、酒精、化工、面粉等廠區

場景風險分析：

1、高危場景，需要及時檢測電弧、關斷、報警、定位，有效排除隐患；

2、搶險受限，遭遇火災等緊急情況時組串高壓無法關斷，阻礙救援；

3、易燃易爆，安全保護措施缺位，易引起重大安全事故；

高速、公路、河道等區域

場景風險分析：

1、環境風險，煙頭、組件零星電弧火花易導緻下方雜草燃燒；

2、巡檢較難，地段狹長不便巡檢，運維難度度，不能及時發現隐患；

3、救援困難，遠離市區，如發生火災等事故救援困難；

4、二次事故，車輛或其他事故損壞組件時，不能及時關斷組串高壓，易造成嚴重二次事故。

國内外相關法規

美國：

在最新版美國國家電氣規範NEC2020文件中要求：

以距離到光伏矩陣305mm為界限，界限範圍外，在觸發設備啟動後30S内，電壓降低到30V以下；界線範圍内，要求具有“光伏危險控制系統”，或在觸發設備啟動後30S内，将電壓降低到80V以下。

加拿大：

根據加拿大電氣安裝法規 Canadian Electrical Code 2021版要求：

當光伏系統直流側電壓大于80V時需安裝電弧故障中斷設備或者其它等同設備。

當光伏系統安裝在建築内或者建築上，應安裝快速關斷裝置。在光伏組件1米外，快速關斷裝置觸發後，要求30S内将電壓降低至30V以下。

德國：

根據德國标準 VDE-AR-E 2100-712要求：

在光伏系統中如果逆變器關閉或者電網出現故障時，需要使直流電壓小于120V。提到使用關斷裝置使直流側電壓降至120V以下。

澳洲：

根據最新AS/NZS 5033:2021标準的4.3.3章節提到：

當直流電壓大于120Vd.c時，組件和逆變器之間需要安裝斷開裝置。

泰國：

泰國國家電氣規範（Thai Electrical Code:Solar Rooftop Power Supply Installations2022）中4.3.13章節：

要求屋頂光伏電站必須安裝有快速關斷裝置，且在距離光伏矩陣300mm為界限，裝置啟動後30秒内界限範圍内電壓降低到80V以下，界限範圍外電壓降到30V以下。

國内規範：

建築物電氣裝置（國家質量監督檢驗檢疫總局發布 2001年）：

在GBT 18379-2001 《建築物電氣裝置的電壓區段》中規定I區段電壓等級的限值為120VDC，也就是說人體正常情況下可觸及導電零件的電壓限值為120VDC，這是人體的安全電壓。

中國建材标準（中國建材檢驗認證集團有限公司2018年）：

根據中國建材檢驗認證集團發布的《戶用并網光伏系統檢測及評價》：安裝在屋頂上的戶用并網光伏系統，當直流電壓大于120V時，單塊光伏組件或組串宜采用快速關斷的方式控制危險直流電壓，宜采用電弧故障檢測、報警及處理系統。

住建部（住房和城鄉建設部公告2021年第173号）：

住建部批準《建築節能與可再生能源利用通用規範》為國家标準，于2022年4月1日起實施。

5.2.5太陽能系統與構件及其安裝安全，應符合下列規定：

應滿足結構、電氣及防火安全的要求。

浙江地方标準（浙江省市場監督管理局2019年） ：

光伏電源并網電氣設備應符合GB 50054等國家相關技術标準。根據GB/T 3805和GB/T18379 相關規定，光伏電源應具備技術措施，在施工、維護和檢修等情況下能夠控制人體可能接觸的直流部分電壓在120V安全限值範圍内。

安徽地方标準（安徽省市場監督管理局2018年）：

根據安徽省質量技術監督局發布的《建築光伏系統防火技術規範》：建築光伏系統中需要設置快速關斷裝置，且對“光伏系統”關閉與“光伏組件”關閉做了區分。對于僅僅實現矩陣快速關斷的系統，仍然要求有明顯标識說明光伏組件存在直流高壓危險。

國家能源局：

2021年11月26日，國家能源局發布了關于公開征求對《關于加強分布式光伏發電安全工作的通知(征求意見稿)》意見的公告。其中，在“項目設計管理”相關章節中明确要求：安裝電弧故障斷路器或采用具有相應功能的組件，實現電弧智能檢測和快速切斷功能;光伏組件應具有安全關斷保護功能，保證逆變器關機，交流斷電後，系統子陣外直流電壓低于安全電壓。

豐郅“安全保護”方案

法規核心要求彙總	豐郅方案
實現直流電弧智能檢測	組件級電弧智能檢測，提前預警、精準定位
快速切斷功能	手動和多種自動快速關斷功能
直流電壓低于安全電壓30V/80V/120V	直流電壓低于安全電壓30V/80V/120V
未涉及	并聯電弧、漏電、接地故障的智能檢測、預警、精準定位和快速保護

光伏電站直流電弧故障是一種時常發生、隐蔽性強、具有發展性、可以引起災難性後果的“慢性病”，類似于人體心腦血管疾病。對待慢性病的正确處理方式：準确診斷，跟進病情，精準治療，而不是頻繁手術。

現場關斷保護動作就像做手術，不能因小問題頻繁手術，隐患預警才是解決問題的正确途徑。要想徹底解決這些問題，需要把電弧故障檢測模塊安裝在組件上，并且實時數據聯網，基于大數據分析，及時預警，實現光伏電站“狀态檢修”和“亞健康”調理，避免重大事故發生。這樣，現場關斷保護隻是作為最後的安全保護屏障。

四合一功能：

• 組件級快速關斷
• 組件級數字化管理
• 組件級拉弧實時檢測、主動保護和故障定位
• 并聯電弧和漏電實時檢測、主動保護和故障定位

當前逆變器上集成的電弧保護功能不夠完備，并且無法定位故障位置，無法精準定位也就不能及時有效地處理。隻有“組件級”檢測和保護方案，才能覆蓋串聯電弧、并聯電弧和對地電弧，并且做到電弧故障位置精準定位，還可以實現漏電故障檢測與定位。

結語

我國光伏電站建設正在如火如荼地進行中，已經走進千家萬戶與老百姓生産生活緊密相連，如何保障光伏電站的“安全性”正在引起全行業的高度重視。随着央國企電力集團布局光伏産業，電站運行中的安全問題更是提高到重中之重的位置。要想有效解決這一問題，需要整個行業群策群力提出創新性解決方案，并且不斷完善相關标準和法規，并在後續電站建設中真正落實相關要求。

2022年4月26日，中央财經委員會第十一次會議，研究全面加強基礎設施建設問題，提出構建現代化基礎設施體系，實現經濟效益、社會效益、生态效益、安全效益相統一，服務國家重大戰略，支持經濟社會發展。光伏電站作為重要的能源基礎設施，安全穩定高效運行是經濟發展的重要保障。

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