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屋頂光伏電站火災危險性分析與防火對策

2016年08月25日 10:22   來源:深圳市新能源行業協會

來源:《太陽能發電》雜志■ 2016/08

  作者:邱亮新、何國器(廣州發展新能源投資管理有限公司)

  【摘 要】 隨著全球能源短缺和環境污染問題日益突出,太陽能光伏產業發展迅速,近幾年,我國光伏發電產業蓬勃發展,特別是屋頂光伏電站的建設數量在不斷地增加,其消防安全問題顯得尤為重要。本文主要對光伏電站火災危險性進行分析,并有針對性的提出了防火措施及火災撲救方法,為此類光伏電站安全運行提供了參考。
  【關健詞】屋頂光伏電站  安全風險  火災


  1 引言
  當今社會傳統能源面臨枯竭,人類生態環境日益惡化,太陽能光伏發電以資源豐富、清潔、不受資源分布地域的限制等優點成為人們關注的焦點。近幾年我國光伏產業迅猛發展,現今國內光伏累計裝機容量已超過50GW,并以每年大于10GW的速度增長。光伏電站建站越來越多,然而,越來越多的問題也暴露在人們面前,其中光伏發電系統的火災問題,特別是與建筑結合的光伏發電系統的火災,可能造成人身、財產的巨大損失,尤其應引起人們的重點關注。據統計,光伏電站中的火災事故80%以上是由直流側故障引起。特別是組件熱斑、直流短路、直流配電柜的質量問題、熔絲問題等。在屋頂電站,直流拉弧問題不可避免。因為整個電站的接頭有成千上萬個,任何一個接頭接觸不良,都有可能造成直流電弧,一有電弧就會引起火災,這也正成為光伏電站安全“痛點”。但是不是對于屋頂光伏電站發生了火災就只能眼睜睜的看著房屋全部燒毀呢?這問題一直是光伏行業內討論的話題。
  實際上,光伏電站并非洪水猛獸,和家用電力體系一樣,都是存在一定風險但可以通過正確地認識光伏電站安全風險并采取各種防護措施降低的事故發生率或減少人身、財產損失。

2 光伏電站安全風險分析(以集中式屋頂光伏電站為例):
  2.1集中式光伏電站組成:主要包括組件、直流匯流箱、直流配電柜、逆變器及其配套的逆變器房或集裝箱體、箱式升壓變等,如下圖示:

 


  2.2 集中式光伏電站安全風險:
  根據上圖和表格所示,集中式光伏發電系統主要包括交流部分和直流部分,兩者在安全性有顯著的差異。由于交流系統存在過零點,開關元件在斷開故障電流時,能夠利用過電壓過零點進行滅弧,而且由于電弧的產生電壓要比維持電壓高得多,所以,交流電弧在過零點處熄滅后很難再產生。而直流沒有過零點,電勢差一直存在,電弧持續燃燒,必須拉開足夠的弧長距離才能夠可靠熄滅。因此直流拉弧引發的火災遠遠高于交流。
  集中式電站因有直流匯流箱和直流配電柜,直流傳輸距離長,節點多,接線不良、電纜絕緣破損等也會引起拉弧,具有較高熱能的電弧的出現使得電站存在一個火災的隱患,也是光伏電站發生火災的最主要因素。而交流系統部分相對成熟可靠,交流系統短路故障的保護相對很完善,交流故障由電網提供短路能量,一旦故障能保證足夠的能量使斷路器脫扣。所以電站的安全性風險主要來自直流部分。下面就直流系統安全風險具體分析如下:
  2.2.1直流電纜安全風險:直流匯流箱到直流配電柜這段電纜,電壓高達500~800Vdc,按照16進1出的直流匯流箱進行計算,電流大約在130A左右,長度一般超過100米,在山地光伏電站或建筑(屋頂)光伏系統中,由于地形及建筑物建筑(屋頂)的因素,長度可能會超過300米。這段電纜是集中式方案較易發生著火事故的一段電纜,且由于能量大,影響范圍及后果嚴重。

2.2.2集中式直流匯流箱到配電柜安全風險
  如圖所示,當短路故障(A點)發生在直流匯流箱和配電柜進線斷路器之間時,存在直流回路(紅色)和交流回路(藍色)。直流回路:由于短路電流較小,直流斷路器QF3為防止誤動作,一般整定電流都較大,使得直流斷路器QF3無法跳脫切斷回路,從而使得匯流箱輸出持續的直流能量到短路點,維持電弧燃燒,使火災風險持續擴大。

 


  案例:2014年7月,某屋頂光伏電站發生著火,彩鋼瓦屋頂被燒穿了幾個大洞,廠房內設備燒毀若干,損失慘重。最終分析原因為:由于施工或其他原因導致某匯流箱線纜對地絕緣降低,在環流、漏電流的影響下進一步加劇,最終引起絕緣失效,線槽中的正負極電纜出現短路、拉弧,導致了著火事故的發生。
 

 直流匯流箱到配電柜電纜故障致屋頂燒毀

  2.2.3直流熔斷器的安全風險 
 ?。?)因使用熔斷器增加了直流節點,現場可能發生接線不良而引發的燒毀事故
 ?。?)因熔斷器和組件之間存在匹配空擋,并不能有效地保護組件
 ?。?)在過載電流情況下,熔斷器還會因熔斷慢,發熱高,容易引發著火風險
  2.2.4集中式采用負極接地防止PID,存在人身安全和著火兩大隱患
集中式逆變器為防止PID問題,一般采取負極接地的方案,這樣在電池組件正極與接地系統之間會形成高壓。通常熔斷器選型在5A以上,人若不小心觸碰到電池組件正極,可能造成人身傷亡事故。同時若組件正極或電纜產生接地故障,會通過接地線產生故障電流或產生電弧放電,引發著火事故。

3  屋頂光伏電站火災的防范措施
  3.1“直流故障電弧”的防范措施
  3.1.1嚴格執行國家設計標準,規范設計,確保施工質量
  要嚴格貫徹“預防為主、防消結合”的消防工作方針。依照國家的一系列規范及規定,從光伏電站防災設計、監控報警與消防系統設計、火災時的應急方案等多方面來綜合考慮,并要求施工中嚴格按設計施工,確保電站質量。
  3.1.2慎重選擇光伏電氣設備質量,從源頭把關
  選擇可靠性高、業內享有口碑佳的光伏電氣設備,如采用智能型電氣設備,應具有直流拉弧可能引發火災的電弧保護和10秒內快速關斷功能。
  3.1.3光伏電站施工安裝要規范,杜絕隱患
  規范電站內部電氣線路的敷設和設備設備的安裝,盡量選擇優質的施工單位,在項目的施工過程中要嚴格規范施工,確保電站質量。減少在項目過程中出現組件隱裂,接線不好引起火災等。防雷接地系統,應做好防雷接地系統,避免感應雷損壞設備。
  3.2電纜防火措施
  由于光伏電站占地面積大,電纜分布廣,無法針對電纜設置固定的滅火裝置,在電纜溝道內應采用防火分隔和阻燃電纜作為應對電纜火災的主要措施,集中敷設于溝道、槽盒中的電纜宜選用C類或C類以上的阻燃電纜。并且對管道、電纜穿屋頂電站的隔墻、樓板的孔洞、縫隙應采用難燃材料或不燃材料進行嚴密封堵,防止電纜著火后互相蔓延。
  3.3加強光伏電站運行和維護
  運行和維護人員應具備相應的專業技能。認真做好電站定期維護工作,堅決杜絕設備帶病運轉,超期服役和超負荷運行。維護前必須做好安全準備,斷開所有應斷開開關,確保電容、電感放電完全,必要時應穿絕緣鞋,帶低壓絕緣手套,使用絕緣工具,工作完畢后應排除系統可能存在的事故隱患。一般在將光伏陣列接入系統前應保持組串處于斷路狀態,接入系統后在匯流箱(盒)開關關斷的情況下進行連接。在施工過程中,應用遮擋物將光伏組件進行遮擋,遮擋有困難時,施工人員應配備好安全防護用品,確保安全。在維護過程中發現的問題要及時進行處理。例如,發現線路接觸不良和老化時要及時更換線路。
  3.4加大對員工消防安全教育力度
  使每個員工都懂得本崗位的防火滅火常識,自覺做好消防工作。開展經常性的消防業務訓練,使其掌握撲滅被初期火災和疏散人員的方法。
  3.5加強消防設施的維護與保養
  增加消防投入,配備足額的消防滅火器,結合光伏發電站特性,可在光伏發電站或無人值守電站設置火災報警系統?;馂膱缶到y應接入屋頂業主消防值班控制室以便于統一實時監控。箱變、箱式開關站、配電裝置室可選用感煙火災探測器,主變壓器(室內)、電纜層和電纜豎井可選用線型感溫火災探測器。加強消防設施的日常維修保養,提高消防設備的合格率和完好率,使其保持在良好的性能狀態。同時要按國家規范的要求設置安裝避雷裝置,并在每年雷雨季節前測試一次,保證完好。
  3.6強化防火安全管理
  制定健全的電站防火安全生產規章制度、責任制度,用電、用火制度,以及有效而完善的應急事故處理規程。建立與制定強有力的防火安全監督、巡檢、制度,及時查出事故隱患,控制不安全因素。

4 正確掌握屋頂光伏電站火災撲救方法
  根據上述對集中式屋頂光伏電站安全風險分析,屋頂光伏電站火災仍是現代社會難以應對的火災撲救難題。那么在現實中,當光伏電站發生了火災,我們應該如何應對呢?筆者認為,應結合光伏電站的實際情況特點,抓住關鍵節點突破屋頂光伏電站火災撲救難題。
  4.1從火災角度考慮,屋頂光伏電站火災與其他火災相比有以下幾個特點:一是光伏電站直流側著火后光伏組件或者匯流箱、直流配電柜仍然帶電,而且因為電氣絕緣損壞或帶電導線斷落接地,在一定范圍內會存在跨步電壓和接觸電壓,如不注意可能引起觸電事故;二是目前屋頂光伏電站有一大部分是鋼結構骨架建造的廠房,鋼的耐火性能較差,受熱后,很快出現塑性變化,在火燒15分鐘左右,構件會象“面條”一樣的軟落下來,隨著局部的破壞,造成整體失去穩定而破壞?;饒錾郎乜?,鋼構件強度減弱快,易倒塌。三是空間大,火勢蔓延快。廠房占地面積大,一般高度均大于7米,內部具有較大的空間,空氣流通好。其生產過程中使用電氣設備和多道加工工序,交、直流電纜一旦失火,火勢可向任何方向蔓延、燃燒猛烈、極易產生強大的熱氣流形成大面積燃燒而造成重大事故。
  4.2撲救屋頂光伏電站火災的基本要求
  發生屋頂光伏電站火災時應首先通過各種手段準確判斷著火地位,斷開相應電源進行滅火,因為斷電后滅火比較安全。但因光伏組件在白天接收陽光輻射時,每一組串就會產生幾百伏的直流電壓,且無法立即切斷電源的特性,或者如等待切斷電源后再進行撲救,會延誤時機,使火勢蔓延,擴大燃燒面積。這時就必須在確保滅火人員安全的情況下,進行帶電滅火。帶電滅火之前應盡量降低光伏發電系統直流輸出電流,可以考慮采用使用滅火毯方法進行撲救。滅火毯或稱消防被、滅火被、防火毯、消防毯、阻燃毯,是由玻璃纖維等材料經過特殊處理編織而成的織物,是一種質地非常柔軟的消防器具。其主要作用主要是用來遮擋陽光,使得光伏組件降低或失去電壓,同時覆蓋火源、阻隔空氣,以達到安全滅火的目的。其具體使用方法是:在起火初期,快速取出滅火毯,一人用雙手握住滅火毯一短邊的兩個角,手心朝自己的胸部。另一人用雙手握住滅火毯另一短邊的兩個角,抖開滅火毯,將滅火毯輕輕的覆蓋在著火組件的上方,使用輸出電壓逐漸下降,并采取積極滅火措施直到著火物體完全熄滅。
  4.3撲救屋頂光伏電站火災的技術安全措施
  具體實施屋頂光伏電站帶電滅火時,還應采取下列技術措施:
 ?。?)正確選用滅火器材。一般情況不準使用泡沫滅火劑或水對光伏發電設備進行滅火,因為泡沫滅火器的滅火劑(水溶液、噴射水流等)有一定的導電性,而且對電氣設備的絕緣有影響,故不適宜于對有電設備進行滅火。一般采用化學干粉滅火劑(磷酸銨鹽干粉滅火劑、磷酸銨鹽干粉滅火器)。
 ?。?)撲救人員所使用的消防器材與帶電部分應保持足夠的安全距離。如用化學干粉等有不導電滅火劑的滅火器滅火時,機體、噴嘴及帶電體的最小距離為:電壓為1 0 k V 及其以下者不應小于0.4m,電壓為35kV及其以上者不應小于0.6m等。光伏電站高壓電氣設備或線路發生接地時,在室內,撲救人員不得進入距故障點4m以內;在室外,撲救人員不得接近距故障點8m以內,進入上述范圍時,必須穿絕緣鞋(耐壓等級10KV以上),接觸設備外殼和構架時,應戴絕緣手套。
 ?。?)如果光伏電站廠房火災火勢很大,請求消防人員支援撲救時,在實施撲救前,應提醒消防人員:屋頂光伏設備仍帶電,暫時無法切斷直流側電源,不能直接用水撲救。如果特殊情況非要使用水槍滅火時,宜采用噴霧水槍。撲救架空線路的火災時,人體與帶電體導之間的仰角不應大于45°,并應站在線路外側,以防導線斷落觸及人體發生觸電事故。另外,如果有帶電導線落地,應劃出一定的警戒區以防止跨步電壓。

4.4若在烈日下屋頂光伏電站彩光瓦屋面光伏組件著火時處置程序和撲救初期火災的基本方法
 ?。?)當屋頂光伏電站彩光瓦屋面發生火災時,運維值班人員應迅速通過光伏電站監控視頻、消防報警裝置、各發電設備(包括匯流箱、逆變器、箱變等)運行參數變化情況等綜合判斷著火位置及著火設備,并斷開相應著火光伏組件電源,同時立即派人到現場進行火情偵察。
 ?。?)現場人員要通過各種方式展開火情偵察,獲取起火時間、起火部位、被困人員情況、燃燒物質性質、火勢蔓延的途徑,火災范圍等重要信息。
 ?。?)如果現場火災明朗且火勢很小的情況下,確定廠房無倒塌危險時要實施快攻近戰,迅速就地提取滅火器進行撲救,防止火勢擴大蔓延。撲救人員應做好個人防護(包括穿絕緣靴、戴絕緣手套、戴防毒面具)迅速靠近著火點,聯系集控值班人員確認匯流箱下端電源已斷電,可先采用滅火毯將著火光伏組件全覆蓋辦法來降低輸出電壓,然后用磷酸銨鹽干粉滅火劑進行滅火。
 ?。?)如果現場濃煙滾滾、火勢很大的情況下,現場人員不能輕易爬上屋頂或者在著火點正下方的廠房內進行撲救,因為鋼結構建筑的倒塌時間非常短(一般在持續燃燒15分鐘后),為此,現場人員應馬上向電站值班人員匯報,立即啟動光伏電站火災應急救援預案,拔打“119”請求消防隊人員支援。在消防人員未到現場期間,專門部署人員加強對火災情況、廠房鋼結構建筑的梁、柱、屋頂等構件有無扭曲、變形、跨塌等跡象進行觀察,并將變化情況隨時同指揮部報告,以便及時提醒,及早采取防范和保護措施。 
 ?。?)消防人員趕到火災現場,在實施撲救前,應提醒消防人員:屋頂光伏設備仍帶電,暫時無法切斷直流側電源,不能直接用水撲救??刹捎没瘜W干粉滅火劑如磷酸銨鹽干粉滅火劑、磷酸銨鹽干粉滅火器進行滅火。如果考慮保廠房建筑結構安全情況下非要使用水槍滅火時,應做好相關安全防護措施(如:滅火人員穿絕緣鞋,戴絕緣手套并應將水槍金屬噴嘴接地,劃出一定的警戒區以防止跨步電壓等等)情況下實施撲救,撲救后認真做好善后處理。
  5  結束語
  近年來中國光伏發電快速發展,是解決未來能源需求的重要途徑。隨著屋頂光伏電站建設規模和數量擴張,電站的安全性也開始受到人們的廣泛關注。因此要加強研究屋頂光伏電站的火災危險性,分析其防火對策,采取有效措施,強化消防安全管理,確保屋面光伏電站消防安全。(作者單位:廣州發展新能源投資管理有限公司)


  參考文獻:
  [1]陳榮榮,孫韻琳,陳思銘,并網光伏電站常見故障分類與案例分析,第13屆中國光伏大會會議論文。
  [2]國家能源局,2015年光伏發電統計信息,2015.          
  [3]分布式光伏發電系統工程設計與實例 周志敏 中國電力出版社 2014,10
  [4]王立喬,孫孝峰.分布式發電系統中的光伏發電技術(第2版) 機械工業出版社 2014,09

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