栏目导航

屋顶光伏电站火灾危险性分析与防火对策

2016年08月25日 10:22   来源:深圳市新能源行业协会

来源:《太阳能发电》杂志■ 2016/08

  作者:邱亮新、何国器(广州发展新能源投资管理有限公司)

  【摘 要】 随着全球能源短缺和环境污染问题日益突出,太阳能光伏产业发展迅速,近几年,我国光伏发电产业蓬勃发展,特别是屋顶光伏电站的建设数量在不断地增加,其消防安全问题显得尤为重要。本文主要对光伏电站火灾危险性进行分析,并有针对性的提出了防火措施及火灾扑救方法,为此类光伏电站安全运行提供了参考。
  【关健词】屋顶光伏电站  安全风险  火灾


  1 引言
  当今社会传统能源面临枯竭,人类生态环境日益恶化,太阳能光伏发电以资源丰富、清洁、不受资源分布地域的限制等优点成为人们关注的焦点。近几年我国光伏产业迅猛发展,现今国内光伏累计装机容量已超过50GW,并以每年大于10GW的速度增长。光伏电站建站越来越多,然而,越来越多的问题也暴露在人们面前,其中光伏发电系统的火灾问题,特别是与建筑结合的光伏发电系统的火灾,可能造成人身、财产的巨大损失,尤其应引起人们的重点关注。据统计,光伏电站中的火灾事故80%以上是由直流侧故障引起。特别是组件热斑、直流短路、直流配电柜的质量问题、熔丝问题等。在屋顶电站,直流拉弧问题不可避免。因为整个电站的接头有成千上万个,任何一个接头接触不良,都有可能造成直流电弧,一有电弧就会引起火灾,这也正成为光伏电站安全“痛点”。但是不是对于屋顶光伏电站发生了火灾就只能眼睁睁的看着房屋全部烧毁呢?这问题一直是光伏行业内讨论的话题。
  实际上,光伏电站并非洪水猛兽,和家用电力体系一样,都是存在一定风险但可以通过正确地认识光伏电站安全风险并采取各种防护措施降低的事故发生率或减少人身、财产损失。

2 光伏电站安全风险分析(以集中式屋顶光伏电站为例):
  2.1集中式光伏电站组成:主要包括组件、直流汇流箱、直流配电柜、逆变器及其配套的逆变器房或集装箱体、箱式升压变等,如下图示:

 


  2.2 集中式光伏电站安全风险:
  根据上图和表格所示,集中式光伏发电系统主要包括交流部分和直流部分,两者在安全性有显著的差异。由于交流系统存在过零点,开关元件在断开故障电流时,能够利用过电压过零点进行灭弧,而且由于电弧的产生电压要比维持电压高得多,所以,交流电弧在过零点处熄灭后很难再产生。而直流没有过零点,电势差一直存在,电弧持续燃烧,必须拉开足够的弧长距离才能够可靠熄灭。因此直流拉弧引发的火灾远远高于交流。
  集中式电站因有直流汇流箱和直流配电柜,直流传输距离长,节点多,接线不良、电缆绝缘破损等也会引起拉弧,具有较高热能的电弧的出现使得电站存在一个火灾的隐患,也是光伏电站发生火灾的最主要因素。而交流系统部分相对成熟可靠,交流系统短路故障的保护相对很完善,交流故障由电网提供短路能量,一旦故障能保证足够的能量使断路器脱扣。所以电站的安全性风险主要来自直流部分。下面就直流系统安全风险具体分析如下:
  2.2.1直流电缆安全风险:直流汇流箱到直流配电柜这段电缆,电压高达500~800Vdc,按照16进1出的直流汇流箱进行计算,电流大约在130A左右,长度一般超过100米,在山地光伏电站或建筑(屋顶)光伏系统中,由于地形及建筑物建筑(屋顶)的因素,长度可能会超过300米。这段电缆是集中式方案较易发生着火事故的一段电缆,且由于能量大,影响范围及后果严重。

2.2.2集中式直流汇流箱到配电柜安全风险
  如图所示,当短路故障(A点)发生在直流汇流箱和配电柜进线断路器之间时,存在直流回路(红色)和交流回路(蓝色)。直流回路:由于短路电流较小,直流断路器QF3为防止误动作,一般整定电流都较大,使得直流断路器QF3无法跳脱切断回路,从而使得汇流箱输出持续的直流能量到短路点,维持电弧燃烧,使火灾风险持续扩大。

 


  案例:2014年7月,某屋顶光伏电站发生着火,彩钢瓦屋顶被烧穿了几个大洞,厂房内设备烧毁若干,损失惨重。最终分析原因为:由于施工或其他原因导致某汇流箱线缆对地绝缘降低,在环流、漏电流的影响下进一步加剧,最终引起绝缘失效,线槽中的正负极电缆出现短路、拉弧,导致了着火事故的发生。
 

 直流汇流箱到配电柜电缆故障致屋顶烧毁

  2.2.3直流熔断器的安全风险 
  (1)因使用熔断器增加了直流节点,现场可能发生接线不良而引发的烧毁事故
  (2)因熔断器和组件之间存在匹配空挡,并不能有效地保护组件
  (3)在过载电流情况下,熔断器还会因熔断慢,发热高,容易引发着火风险
  2.2.4集中式采用负极接地防止PID,存在人身安全和着火两大隐患
集中式逆变器为防止PID问题,一般采取负极接地的方案,这样在电池组件正极与接地系统之间会形成高压。通常熔断器选型在5A以上,人若不小心触碰到电池组件正极,可能造成人身伤亡事故。同时若组件正极或电缆产生接地故障,会通过接地线产生故障电流或产生电弧放电,引发着火事故。

3  屋顶光伏电站火灾的防范措施
  3.1“直流故障电弧”的防范措施
  3.1.1严格执行国家设计标准,规范设计,确保施工质量
  要严格贯彻“预防为主、防消结合”的消防工作方针。依照国家的一系列规范及规定,从光伏电站防灾设计、监控报警与消防系统设计、火灾时的应急方案等多方面来综合考虑,并要求施工中严格按设计施工,确保电站质量。
  3.1.2慎重选择光伏电气设备质量,从源头把关
  选择可靠性高、业内享有口碑佳的光伏电气设备,如采用智能型电气设备,应具有直流拉弧可能引发火灾的电弧保护和10秒内快速关断功能。
  3.1.3光伏电站施工安装要规范,杜绝隐患
  规范电站内部电气线路的敷设和设备设备的安装,尽量选择优质的施工单位,在项目的施工过程中要严格规范施工,确保电站质量。减少在项目过程中出现组件隐裂,接线不好引起火灾等。防雷接地系统,应做好防雷接地系统,避免感应雷损坏设备。
  3.2电缆防火措施
  由于光伏电站占地面积大,电缆分布广,无法针对电缆设置固定的灭火装置,在电缆沟道内应采用防火分隔和阻燃电缆作为应对电缆火灾的主要措施,集中敷设于沟道、槽盒中的电缆宜选用C类或C类以上的阻燃电缆。并且对管道、电缆穿屋顶电站的隔墙、楼板的孔洞、缝隙应采用难燃材料或不燃材料进行严密封堵,防止电缆着火后互相蔓延。
  3.3加强光伏电站运行和维护
  运行和维护人员应具备相应的专业技能。认真做好电站定期维护工作,坚决杜绝设备带病运转,超期服役和超负荷运行。维护前必须做好安全准备,断开所有应断开开关,确保电容、电感放电完全,必要时应穿绝缘鞋,带低压绝缘手套,使用绝缘工具,工作完毕后应排除系统可能存在的事故隐患。一般在将光伏阵列接入系统前应保持组串处于断路状态,接入系统后在汇流箱(盒)开关关断的情况下进行连接。在施工过程中,应用遮挡物将光伏组件进行遮挡,遮挡有困难时,施工人员应配备好安全防护用品,确保安全。在维护过程中发现的问题要及时进行处理。例如,发现线路接触不良和老化时要及时更换线路。
  3.4加大对员工消防安全教育力度
  使每个员工都懂得本岗位的防火灭火常识,自觉做好消防工作。开展经常性的消防业务训练,使其掌握扑灭被初期火灾和疏散人员的方法。
  3.5加强消防设施的维护与保养
  增加消防投入,配备足额的消防灭火器,结合光伏发电站特性,可在光伏发电站或无人值守电站设置火灾报警系统。火灾报警系统应接入屋顶业主消防值班控制室以便于统一实时监控。箱变、箱式开关站、配电装置室可选用感烟火灾探测器,主变压器(室内)、电缆层和电缆竖井可选用线型感温火灾探测器。加强消防设施的日常维修保养,提高消防设备的合格率和完好率,使其保持在良好的性能状态。同时要按国家规范的要求设置安装避雷装置,并在每年雷雨季节前测试一次,保证完好。
  3.6强化防火安全管理
  制定健全的电站防火安全生产规章制度、责任制度,用电、用火制度,以及有效而完善的应急事故处理规程。建立与制定强有力的防火安全监督、巡检、制度,及时查出事故隐患,控制不安全因素。

4 正确掌握屋顶光伏电站火灾扑救方法
  根据上述对集中式屋顶光伏电站安全风险分析,屋顶光伏电站火灾仍是现代社会难以应对的火灾扑救难题。那么在现实中,当光伏电站发生了火灾,我们应该如何应对呢?笔者认为,应结合光伏电站的实际情况特点,抓住关键节点突破屋顶光伏电站火灾扑救难题。
  4.1从火灾角度考虑,屋顶光伏电站火灾与其他火灾相比有以下几个特点:一是光伏电站直流侧着火后光伏组件或者汇流箱、直流配电柜仍然带电,而且因为电气绝缘损坏或带电导线断落接地,在一定范围内会存在跨步电压和接触电压,如不注意可能引起触电事故;二是目前屋顶光伏电站有一大部分是钢结构骨架建造的厂房,钢的耐火性能较差,受热后,很快出现塑性变化,在火烧15分钟左右,构件会象“面条”一样的软落下来,随着局部的破坏,造成整体失去稳定而破坏。火场升温快,钢构件强度减弱快,易倒塌。三是空间大,火势蔓延快。厂房占地面积大,一般高度均大于7米,内部具有较大的空间,空气流通好。其生产过程中使用电气设备和多道加工工序,交、直流电缆一旦失火,火势可向任何方向蔓延、燃烧猛烈、极易产生强大的热气流形成大面积燃烧而造成重大事故。
  4.2扑救屋顶光伏电站火灾的基本要求
  发生屋顶光伏电站火灾时应首先通过各种手段准确判断着火地位,断开相应电源进行灭火,因为断电后灭火比较安全。但因光伏组件在白天接收阳光辐射时,每一组串就会产生几百伏的直流电压,且无法立即切断电源的特性,或者如等待切断电源后再进行扑救,会延误时机,使火势蔓延,扩大燃烧面积。这时就必须在确保灭火人员安全的情况下,进行带电灭火。带电灭火之前应尽量降低光伏发电系统直流输出电流,可以考虑采用使用灭火毯方法进行扑救。灭火毯或称消防被、灭火被、防火毯、消防毯、阻燃毯,是由玻璃纤维等材料经过特殊处理编织而成的织物,是一种质地非常柔软的消防器具。其主要作用主要是用来遮挡阳光,使得光伏组件降低或失去电压,同时覆盖火源、阻隔空气,以达到安全灭火的目的。其具体使用方法是:在起火初期,快速取出灭火毯,一人用双手握住灭火毯一短边的两个角,手心朝自己的胸部。另一人用双手握住灭火毯另一短边的两个角,抖开灭火毯,将灭火毯轻轻的覆盖在着火组件的上方,使用输出电压逐渐下降,并采取积极灭火措施直到着火物体完全熄灭。
  4.3扑救屋顶光伏电站火灾的技术安全措施
  具体实施屋顶光伏电站带电灭火时,还应采取下列技术措施:
  (1)正确选用灭火器材。一般情况不准使用泡沫灭火剂或水对光伏发电设备进行灭火,因为泡沫灭火器的灭火剂(水溶液、喷射水流等)有一定的导电性,而且对电气设备的绝缘有影响,故不适宜于对有电设备进行灭火。一般采用化学干粉灭火剂(磷酸铵盐干粉灭火剂、磷酸铵盐干粉灭火器)。
  (2)扑救人员所使用的消防器材与带电部分应保持足够的安全距离。如用化学干粉等有不导电灭火剂的灭火器灭火时,机体、喷嘴及带电体的最小距离为:电压为1 0 k V 及其以下者不应小于0.4m,电压为35kV及其以上者不应小于0.6m等。光伏电站高压电气设备或线路发生接地时,在室内,扑救人员不得进入距故障点4m以内;在室外,扑救人员不得接近距故障点8m以内,进入上述范围时,必须穿绝缘鞋(耐压等级10KV以上),接触设备外壳和构架时,应戴绝缘手套。
  (3)如果光伏电站厂房火灾火势很大,请求消防人员支援扑救时,在实施扑救前,应提醒消防人员:屋顶光伏设备仍带电,暂时无法切断直流侧电源,不能直接用水扑救。如果特殊情况非要使用水枪灭火时,宜采用喷雾水枪。扑救架空线路的火灾时,人体与带电体导之间的仰角不应大于45°,并应站在线路外侧,以防导线断落触及人体发生触电事故。另外,如果有带电导线落地,应划出一定的警戒区以防止跨步电压。

4.4若在烈日下屋顶光伏电站彩光瓦屋面光伏组件着火时处置程序和扑救初期火灾的基本方法
  (1)当屋顶光伏电站彩光瓦屋面发生火灾时,运维值班人员应迅速通过光伏电站监控视频、消防报警装置、各发电设备(包括汇流箱、逆变器、箱变等)运行参数变化情况等综合判断着火位置及着火设备,并断开相应着火光伏组件电源,同时立即派人到现场进行火情侦察。
  (2)现场人员要通过各种方式展开火情侦察,获取起火时间、起火部位、被困人员情况、燃烧物质性质、火势蔓延的途径,火灾范围等重要信息。
  (3)如果现场火灾明朗且火势很小的情况下,确定厂房无倒塌危险时要实施快攻近战,迅速就地提取灭火器进行扑救,防止火势扩大蔓延。扑救人员应做好个人防护(包括穿绝缘靴、戴绝缘手套、戴防毒面具)迅速靠近着火点,联系集控值班人员确认汇流箱下端电源已断电,可先采用灭火毯将着火光伏组件全覆盖办法来降低输出电压,然后用磷酸铵盐干粉灭火剂进行灭火。
  (4)如果现场浓烟滚滚、火势很大的情况下,现场人员不能轻易爬上屋顶或者在着火点正下方的厂房内进行扑救,因为钢结构建筑的倒塌时间非常短(一般在持续燃烧15分钟后),为此,现场人员应马上向电站值班人员汇报,立即启动光伏电站火灾应急救援预案,拔打“119”请求消防队人员支援。在消防人员未到现场期间,专门部署人员加强对火灾情况、厂房钢结构建筑的梁、柱、屋顶等构件有无扭曲、变形、跨塌等迹象进行观察,并将变化情况随时同指挥部报告,以便及时提醒,及早采取防范和保护措施。 
  (5)消防人员赶到火灾现场,在实施扑救前,应提醒消防人员:屋顶光伏设备仍带电,暂时无法切断直流侧电源,不能直接用水扑救。可采用化学干粉灭火剂如磷酸铵盐干粉灭火剂、磷酸铵盐干粉灭火器进行灭火。如果考虑保厂房建筑结构安全情况下非要使用水枪灭火时,应做好相关安全防护措施(如:灭火人员穿绝缘鞋,戴绝缘手套并应将水枪金属喷嘴接地,划出一定的警戒区以防止跨步电压等等)情况下实施扑救,扑救后认真做好善后处理。
  5  结束语
  近年来中国光伏发电快速发展,是解决未来能源需求的重要途径。随着屋顶光伏电站建设规模和数量扩张,电站的安全性也开始受到人们的广泛关注。因此要加强研究屋顶光伏电站的火灾危险性,分析其防火对策,采取有效措施,强化消防安全管理,确保屋面光伏电站消防安全。(作者单位:广州发展新能源投资管理有限公司)


  参考文献:
  [1]陈荣荣,孙韵琳,陈思铭,并网光伏电站常见故障分类与案例分析,第13届中国光伏大会会议论文。
  [2]国家能源局,2015年光伏发电统计信息,2015.          
  [3]分布式光伏发电系统工程设计与实例 周志敏 中国电力出版社 2014,10
  [4]王立乔,孙孝峰.分布式发电系统中的光伏发电技术(第2版) 机械工业出版社 2014,09

[关闭]
点击:7522
  评论内容
  我来说说
用户名:
级别:
验证码: 点击刷新