李海涛

摘  要：随着社会对电力需求度的持续提升，减少光伏电站事故成为人们关注的重点，基于此，本文主要对光伏电站直流系统火灾原因进行探讨，希望能够减少安全隐患以及财产损失，为我国发电事业健康发展提供建议。

一、引言

近年来，光伏发电技术已经成为世界上新材料领域研究与应用最成熟、最有发展前景的一种重要工艺之一。因此，太阳能发电作为目前最具规模化和市场价值最高效电力能源开发方法，逐渐被国际公认为国家重点战略产业，国家光伏发电逐步向高耗能电站转变，因此，光伏发电站一旦发生火灾事故，其后果不堪设想，会对安全生产造成极大影响并产生严重后果。所以电站直流系统被作为研究对象，探讨其火源、温度及湿度等条件下电气设备起火的原因，能够保证电力供应安全可靠稳定运行。

二、光伏电站直流系统

光伏发电站是利用光伏发电生产电能，是利用太阳能通过转换机制，将太阳辐射转换为电能的发电技术。该技术使太阳照射在太阳能组件上时，太阳电池吸收光子能量，形成伏特效应，太阳电池的两极用导线形成回路后，能够形成光生电流，产生电能。光伏电站的主要发电系统有太陽电池组件方阵，一般情况下，太阳能电池分为单晶硅电池和多晶硅太阳能电池以及非晶硅太阳能电池。目前不同类型的太阳能电池组件达到的最高效率也不同，一般情况下，单晶硅电池为24%，多晶硅电池为18%，非晶硅电池为12.8%，非晶硅电池相较于单晶硅与多晶硅电池更加稳定。其次，还具备控制逆变装置，由于地球上的太阳能辐射随时变化，因此，光伏发电系统不够稳定，控制逆变装置转换直流电与交流电，保证光伏发电的稳定性。同时，太阳能发电站具备蓄电池组，能够储存电能。目前光伏发电站中具有发展前景的系统，为光伏并网发电系统相较于传统的离网光伏发电系统，该系统中缺乏蓄电池，其能够将产生的电流通过并网逆变器直接汇入电网，且投资小，安全性也较高[1]。

一般情况下，光伏系统的构成是由太阳能电池组件相互串联，通过直流汇流箱进行整流形成直流电，之后通过逆变器转换为交流电汇入电网之中。光伏发电站是由多个发电单元构成。光伏发电系统可分为独立光伏发电、并网光伏发电和分布式光伏发电系统。通过安装容量可分为小型、中型以及大型光伏发电系统，

三、光伏电站直流系统火灾原因

（一）设备故障因素产生电弧导致火灾

以亿晶EG-260P60-C组件为例，其功率为260W，工作电流为8.42A，短路电流为8.98A，工作电压为30.88V，开路电压为37.75V。光伏电站直流侧随着投入运行年限增加，电子元件老化、电缆破裂、触点松动或者动物抓咬等原因，都可能引起故障电弧，直流电弧产生的高温若超过3000℃，能够直接导致起火，而光伏电站火灾大多数均由故障电弧引起。

1.光伏方阵故障

一般光伏方阵出现故障引发的火灾是由于电缆的绝缘层进行损坏，导致光伏某组件与光伏支架之间产生短路，配电柜中的断路器的电流迅速增加，从而引发火灾。以多晶硅太阳能电池组件为例，为保证电池片最大程度地接受太阳光线，其上盖板中的钢化玻璃必须拥有一定的透光度。因此，在进行光照时，一旦电池组件材料不合格，将引起火灾。一般情况下，光伏方阵引发的火灾分为四个阶段，首先是光伏电池板由于过热，导致溶解之后产生热分解现象，最终着火并持续燃烧。太阳能辐射极其不稳定，一旦辐射量增加时，太阳能电池板会发生物理以及化学性质的改变，太阳能电池板在高辐射的状态下，会逐渐呈现玻璃态，高弹态以及粘流态，随着辐射量的增加，温度进一步升高，最终导致分子链滑动，内部聚合物在持续的温度上升过程中，不断挥发可燃气体，当与空气氧气接触时会发生燃烧进而引发火灾。

2.汇流箱故障

汇流箱是光伏电站中的重要设施，其在短路后容易产生火灾。汇流箱故障中，包括串联组短路、汇流箱电源模块温度升高等等产生电弧。一般情况下，电弧中心部分可维持将近10000度的高温电弧，具有高温高导电性的特征，最终引发汇流箱的设备故障。光伏电站中汇流箱数量较多，其具有巨大的负荷，通过直流母排汇入短路点时，会造成短路回路现象，此时汇流箱直流断路器，若未跳开短路处母线，短时间内的通过电流较大，形成电弧，最终导致设备起火。

3.电缆故障

光伏电缆在设计过程中具有安全载流量的设置，一旦电流超过其安全载流量，电感先会产生发热现象，发热量过大会导致表面温度过高，最终导致电缆着火燃烧。光伏电站中电缆的着火原因为串联或并联电弧两种方式，当光伏电缆出现断裂时，会产生串联故障电弧，由于光伏电站中连接点多，其串联故障电弧的产生会引发火灾。而并联电弧是在光伏电感交汇处，由于电压过高，产生的电弧是两条光伏电缆交汇处，由于电线的老化或绝缘层的破坏，导致形成电压，最终引起并联故障电弧。因此，电弧引发的火灾是发电站中火灾发生的主要原因。

（二）环境因素

例如，内蒙古地区属于雷电多发地区，因此电站容易遭受雷击，最终引发火灾。大部分发电站位于平原地区，极易遭受雷击，目前雷电主要包括直击雷、感应雷、雷电波侵入以及球形雷，发电站的各个部件一旦遭受雷击时，将产生大量的高温，最终引发火灾以及爆炸。一般情况下，电站受到的维奇多维感应雷，由于其周围空旷，且发电站内设备多为金属体，因此在雷电放电时，金属导体会产生静电感应或电磁感应，使金属部件之间产生火花，引发易燃易爆品的火灾事故。由于发电站周围会建设电线线路，因此雷电波容易对电线进行冲击，雷电会随着线路以及管道进行传播，最终入侵到发电站内，造成配电装置的短路，最终引发爆炸现象。球形雷是较大的雷击事故，球形雷的表面温度可达上千摄氏度，弱电站遭到球形雷雷击极易发生火灾。雷电造成的火灾是发电站中重要的火灾因素，发电站的建筑物属性、发电设备的材料等都会对雷电产生影响，吸引雷电，最终导致雷击火灾的发生[2]。

（三）热斑效应

光伏发电站中，晶体硅是光伏组件的主要材料，但晶体硅材料容易产生热斑效应。在某些状况下，部分太阳能电池被遮挡，从而消耗其他有光照的太阳能电池的能量，被遮挡的太阳能电池的表面温度较高，最终产生热斑效应。产生热斑效应的太阳能电池的损坏率较高，导致电池的破损以及电池的效率降低，晶体硅电池热斑效应更加强烈。目前晶体硅太阳能电池的效率在15%左右，电池表面一般会附有减反膜，减少电池对光的反射效率，这时大部分晶体硅太阳能电池对光的反射率小于10%[3]。一般晶体硅属于半导体材料，其具有强烈吸收光能的性质，太阳能电池在吸收光能的同时，用于光伏发电产生对外做功，电池在吸收光能时，会导致太阳能表面发热，目前的太阳能电池并未达到理想效果，存在一定的内部阻力，不断消耗光伏效应的能量，最终产生热能。因此，光斑效应是光伏电站直流系统火灾发生的原因。

四、光伏电站直流系统火灾控制措施

光伏电站应配备相应的火灾控制措施，建立完整的火灾管理系统，完善防范火灾的报警系统，通过各项计算机软件技术，设计温感传感器，对设备温度以及环境温度进行监测，降低火灾发生率。在进行直流系统设计过程中，要采用多组串逆变器及更加智能的光伏电站系统，保证直流汇流箱，直流配电柜以及逆变器等大型直流设备能够更加稳定，减少自燃現象发生，同时要加强对于光伏发电站各部分的日常巡逻工作，保证光伏电站处于较为安全的环境之中。此外，光伏电站直流系统在设计过程中，要注意对于雷电的防范，建立多个避雷装置，保证雷击发生时，光伏电站的安全性，通过火灾防控手段保证电站运行的稳定性。

结论：

本文分析了光伏电站问题产生的原因，认为一般情况下光伏电站的起火原因为设备起火、气候干燥、雷电事故、热斑效应情况导致。因此要针对以上问题做好相应的防范措施，保障光伏电站直流系统的发电稳定性。

参考文献

[1] 刘璟璇，高源辰，杨志豪，刘皓明.光伏电站电气火灾监控预警系统研究[J].科技创新与应用，2020（23）：98-101.

[2] 马力.光伏电站雷电灾害预警及风险评估[J].通信电源技术，2019，36（07）：270-271.

[3] 张胜红.光伏电站火灾探测系统干扰问题及对策研究[J].中国战略新兴产业，2017（48）：132-133.

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