孫慶 中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

當(dāng)今社會(huì)傳統(tǒng)能源面臨枯竭，人類生態(tài)環(huán)境日益惡化，太陽(yáng)能光伏發(fā)電以資源豐富、清潔、不受資源分布地域的限制等優(yōu)點(diǎn)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近幾年我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)光伏累計(jì)裝機(jī)容量已超過28GW，并以每年大于10GW的速度增長(zhǎng)。光伏電站建站越來越多，如何提高電站的安全性，如何將各種安全隱患防范于未然，也已成為電站業(yè)主們首要考慮的問題。

本文通過分析對(duì)比組串式與集中式兩種應(yīng)用廣泛的電站解決方案，通過理論與實(shí)際案例分析它們的安全性差異，供業(yè)界探討。

1 組串式和集中式電站結(jié)構(gòu)對(duì)比

集中式光伏電站解決方案主要包括組件、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。

與集中式方案相比，組串式方案減少了直流設(shè)備和逆變房等配套設(shè)施，增加了交流匯流箱，縮短了高壓直流的傳輸距離，國(guó)內(nèi)主流的組串式方案更采用了無(wú)熔斷器設(shè)計(jì)，自然散熱的簡(jiǎn)潔方案。







2 組串式和集中式安全風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比

本文中分析的安全風(fēng)險(xiǎn)，是指光伏電站中可能引發(fā)火災(zāi)或?qū)θ松戆踩a(chǎn)生威脅的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。 根據(jù)前述中關(guān)于組串式與集中式的對(duì)比，最大差異就是交流和直流電纜距離的不同，而交流輸電與直流輸電在安全性有顯著的差異。

自1882年愛迪生發(fā)明了第一盞電燈開始，供電方式就是直流電，但是由于當(dāng)時(shí)直流升壓非常困難，供電范圍限制在較小的區(qū)域內(nèi)。交流電的易用性使之很快形成了供電網(wǎng)絡(luò)的主流方案，隨著多年的技術(shù)發(fā)展，交流電網(wǎng)從幾千瓦發(fā)展到幾億千瓦，電壓等級(jí)從幾十伏發(fā)展到上百萬(wàn)伏。科學(xué)技術(shù)不斷在解決著電力發(fā)展的難題，也保障了交流輸電的安全，使電進(jìn)入千家萬(wàn)戶。

直流供電主要用于于安全電壓48V以下的控制系統(tǒng)及后備電源使用，或是特高壓長(zhǎng)距離直流輸電（±400kV以上）工程中。1000V直流輸電是伴隨著光伏的發(fā)展而興起，其配套的相關(guān)電氣設(shè)備還有待完善，甚至有部分廠家使用交流斷路器充當(dāng)直流斷路器使用的情況。

在開關(guān)元件中，在發(fā)生故障時(shí)能夠正確滅弧是衡量開關(guān)元器件最重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。由于交流系統(tǒng)存在過零點(diǎn)，開關(guān)元件在斷開故障電流時(shí)，能夠利用過電壓過零點(diǎn)進(jìn)行滅弧，而且由于電弧的產(chǎn)生電壓要比維持電壓高得多，所以，交流電弧在過零點(diǎn)處熄滅后很難再產(chǎn)生。而直流沒有過零點(diǎn)，電壓一直存在，電弧持續(xù)燃燒，必須拉開足夠的弧長(zhǎng)距離才能夠可靠熄滅。接線不良、電纜絕緣破損等也會(huì)引起拉弧，具有較高熱能的電弧的出現(xiàn)使得電站存在一個(gè)火災(zāi)的隱患，也是光伏電站發(fā)生火災(zāi)的最主要因素。

從總體上看，交流系統(tǒng)部分相對(duì)成熟可靠，電站的安全性風(fēng)險(xiǎn)主要來自直流部分。必須采取嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)、減少直流系統(tǒng)長(zhǎng)度，同時(shí)進(jìn)行精心的電氣設(shè)備選型，以保障電站安全。

2.1 組串式逆變器到交流匯流箱與集中式直流匯流箱到配電柜安全對(duì)比

在集中式方案中，直流匯流箱到直流配電柜這段電纜，電壓高達(dá)500~800Vdc，按照16進(jìn)1出的直流匯流箱進(jìn)行計(jì)算，電流大約在130A左右，長(zhǎng)度一般超過100米，在山地光伏電站或建筑光伏系統(tǒng)中，由于地形及建筑物的因素，長(zhǎng)度可能會(huì)超過300米。這段電纜是集中式方案較易發(fā)生著火事故的一段電纜，且由于能量大，影響范圍及后果嚴(yán)重。

組串式方案逆變器至匯流箱的電能傳輸為交流輸電，電壓變?yōu)?80 Vac 或480Vac，電流一般控制在50A以內(nèi)，大大降低了發(fā)生火災(zāi)的可能性。

2.1.1 集中式直流匯流箱到配電柜安全風(fēng)險(xiǎn)分析

如圖2所示，當(dāng)短路故障（A點(diǎn)）發(fā)生在直流匯流箱和配電柜進(jìn)線斷路器之間時(shí)，存在直流回路（紅色）和交流回路（藍(lán)色）。

1）直流回路：由于短路電流較小，直流斷路器QF3為防止誤動(dòng)作，一般整定電流都較大，使得直流斷路器QF3無(wú)法跳脫切斷回路，從而使得匯流箱輸出持續(xù)的直流能量到短路點(diǎn)，維持電弧燃燒，使火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)擴(kuò)大。

2）交流回路：電流主要來自電網(wǎng)側(cè)，在直流斷路器QF1及交流斷路器QF2動(dòng)作前，逆變單元IGBT將承受較大的故障電流，可能會(huì)對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。



案例：2014年7月，某屋頂光伏電站發(fā)生著火，彩鋼瓦屋頂被燒穿了幾個(gè)大洞，廠房?jī)?nèi)設(shè)備燒毀若干，損失慘重。最終分析原因?yàn)椋河捎谑┕せ蚱渌驅(qū)е履硡R流箱線纜對(duì)地絕緣降低，在環(huán)流、漏電流的影響下進(jìn)一步加劇，最終引起絕緣失效，線槽中的正負(fù)極電纜出現(xiàn)短路、拉弧，導(dǎo)致了著火事故的發(fā)生。



案例：2014年5月，某山地光伏電站發(fā)生著火，當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門立即責(zé)令停止并網(wǎng)發(fā)電，進(jìn)行全面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，持續(xù)時(shí)間三個(gè)月，造成了數(shù)百萬(wàn)的損失。最終分析原因?yàn)椋河捎谀硡R流箱電纜在施工時(shí)被拖拽磨損，在運(yùn)行一段時(shí)間后絕緣失效，正負(fù)極電纜出現(xiàn)短路、拉弧，導(dǎo)致了著火事故的發(fā)生。



2.1.2 組串式逆變器到交流匯流箱安全風(fēng)險(xiǎn)分析

如圖5所示，當(dāng)短路故障（A點(diǎn)）發(fā)生在組串式逆變器和交流匯流箱之間時(shí)，存在逆變器輸出的交流回路（紅色）和電網(wǎng)側(cè)的交流回路（藍(lán)色）。

1）逆變器輸出交流回路：組串式逆變器均具有限流輸出功能，在逆變器檢測(cè)到電網(wǎng)電壓異常，會(huì)立即控制逆變器脫網(wǎng)，切斷故障點(diǎn)的直流側(cè)電流。

2）電網(wǎng)側(cè)交流回路：交流斷路器QF1會(huì)進(jìn)行短路保護(hù)，切斷電網(wǎng)過來的短路回路，不會(huì)造成任何影響。



小結(jié)：集中式直流匯流箱到配電柜電纜能量大，短路故障時(shí)直流源持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，電弧持續(xù)燃燒，事故影響嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)直流電纜的絕緣監(jiān)測(cè)。組串式逆變器到交流匯流箱發(fā)生短路故障時(shí)，交直流側(cè)電源均能迅速切除，安全風(fēng)險(xiǎn)較小。

2.2 組串式與集中式方案中組件匯流線纜的安全對(duì)比

光伏電站的能量來源為太陽(yáng)能光伏組件，組件電流輸出使用小截面直流線纜對(duì)于組串式和集中式來說都必不可少。對(duì)組串式來說，一般采取2~3串組件并聯(lián)。而對(duì)于集中式方案來說，一般采取16路并聯(lián)后，再經(jīng)直流匯流箱8路并聯(lián)，最終并聯(lián)的組件數(shù)可能達(dá)到100串組件。那么兩者的安全性方面的對(duì)比如下：


2.2.1 短路故障發(fā)生概率對(duì)比

當(dāng)組件線纜通過線槽進(jìn)行匯集時(shí)，易發(fā)生線間短路故障。組串式只有并聯(lián)的2串間會(huì)發(fā)生短路故障，組合數(shù)為2^2，而集中式一臺(tái)直流匯流箱的16路線纜都會(huì)發(fā)生短路故障，組合數(shù)為2^16，集中式組件線間直接發(fā)生短路故障的概率比組串式要高得多。

小結(jié)：集中式組件發(fā)生短路故障的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于組串式，短路故障若不能及時(shí)切除，將會(huì)引起電流反灌。

2.2.2 電流反灌風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比

國(guó)內(nèi)主流的組串式方案采用2串組件并聯(lián)，即使有一串發(fā)生短路故障，反灌電流最大也不會(huì)超過10A，均在直流線纜和光伏組件承受范圍以內(nèi)（42mm直流電纜載流能力大于30A，組件耐受反灌電流15A），安全性較高。

而集中式方案組件并聯(lián)串?dāng)?shù)多，反灌電流大，超出了線纜和組件的安全要求。所以，集中式方案必須使用保護(hù)器件對(duì)線纜和組件進(jìn)行保護(hù)，相比于直流斷路器，熔斷器因價(jià)格低被集中式方案選擇。但使用熔斷器作為保護(hù)元件又帶來了一系列的安全問題，具體安全風(fēng)險(xiǎn)分析如下。

2.3 集中式方案中直流熔斷器的安全風(fēng)險(xiǎn)分析

2.3.1 熔斷器增加了直流節(jié)點(diǎn)，埋下安全隱患

集中式1MW需要使用熔斷器400個(gè)，每個(gè)熔斷器與熔斷器盒夾片之間有采用壓接的方式。由于熔斷器盒對(duì)線纜可靠安裝要求高，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不容易做到，可能出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，是匯流箱著火的主要原因。



而主流組串式方案一般采用無(wú)熔斷器設(shè)計(jì)，外部連接一般采用專用光伏連接器，可靠性相對(duì)較高，可以有效規(guī)避因施工人員能力不同引發(fā)的安裝隱患。

小結(jié)：集中式直流節(jié)點(diǎn)多，容易因接觸不良引發(fā)著火事故，組串式直流節(jié)點(diǎn)只有集中式的1/4，且使用專用光伏連接器，安全可靠。

2.3.2 熔斷器并不能有效地保護(hù)組件

從熔斷器標(biāo)準(zhǔn)IEC 60269-6中可以看出：15A的熔斷器，標(biāo)準(zhǔn)要求在16.95A下，1小時(shí)不能熔斷，在21.75A下，1小時(shí)內(nèi)熔斷。冬天受低溫影響，需要熔斷的電流更大，時(shí)間更長(zhǎng)。




從組件標(biāo)準(zhǔn)IEC 61730-2中可以看出：反向電流15A的組件，標(biāo)準(zhǔn)要求在20.25A下，2小時(shí)不能起火。標(biāo)準(zhǔn)只是要求組件不起火，卻不能保證組件不損壞，實(shí)際上組件一直在承受反向電流而發(fā)生熱斑效應(yīng)，性能會(huì)下降，輸出功率會(huì)降低。



熔斷器的標(biāo)準(zhǔn)要求是1.45倍的電流，而組件的標(biāo)準(zhǔn)要求是1.35倍的電流，那么在1.35至1.45倍額定電流之間就出現(xiàn)了一個(gè)保護(hù)空擋。在這個(gè)保護(hù)空擋內(nèi)，熔斷器不能夠有效地保護(hù)組件，可能造成光伏組件本體損壞。



從光伏熔斷器熔體結(jié)構(gòu)上可以看出，熔斷器狹徑非常細(xì)，對(duì)制造工藝要求很高，普通廠家很難控制好熔斷器的質(zhì)量。由于生產(chǎn)工藝的局限，可能造成生產(chǎn)的熔斷器額定電流出現(xiàn)一定的偏移，若不能夠在規(guī)定的電流和時(shí)間下及時(shí)熔斷，更會(huì)加劇電池板的損壞，帶來火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。所以，從電站安全的角度出發(fā)，為了保護(hù)組件，不僅需要增加熔斷器，還需要使用帶防反二極管的直流匯流箱。

2.3.3 熔斷器在過載電流情況下，熔斷慢，發(fā)熱高，易引發(fā)著火

熔斷器的保護(hù)原理是利用金屬的熱熔特性，這一特性決定了熔斷器的熔斷時(shí)間與過電流的大小呈反時(shí)限的關(guān)系，電流越大，其熔斷時(shí)間越短，電流越小，其熔斷時(shí)間越長(zhǎng)。熔斷器主要還是用在短路的保護(hù)上，而對(duì)于過載，熔斷器的保護(hù)效果將大打折扣，甚至帶來負(fù)面影響。因?yàn)樵谶^載情況下，尤其是小電流過載，熔斷器的熔斷將變得很慢，在這種“將斷未斷”情況下，熔斷器將處于一個(gè)非常高溫的熱平衡狀態(tài)。



光伏熔斷器的熔體主要是銀，銀的熔點(diǎn)高達(dá)961℃，為了使熔斷器在較低溫度時(shí)也能夠熔斷，在銀上增加了一個(gè)焊錫點(diǎn)，該焊錫的熔點(diǎn)一般在260℃以上。

熔斷器的熔斷過程是當(dāng)溫度達(dá)到熔斷器的熔點(diǎn)時(shí)，熔斷器開始熔化并繼續(xù)吸收熱量進(jìn)一步熔化變成液態(tài)，隨后熔斷器溫度進(jìn)一步升高直到汽化，熔斷器汽化形成斷點(diǎn)，開始產(chǎn)生拉弧，拉弧拉到一定距離后熄滅，熔斷器熔斷。所以在“將斷未斷”情況下，熔斷器的溫度可能高達(dá)500℃。這么高的溫度將破壞線纜和熔斷器盒的絕緣，最終引發(fā)著火事故。




另外，部分熔斷器在熔斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)噴弧現(xiàn)象，電弧溫度非常高，會(huì)使相鄰的塑料元件、線纜絕緣等著火。


小結(jié)：集中式方案因使用熔斷器增加了直流節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生接線不良而引發(fā)的燒毀事故；集中式方案使用熔斷器保護(hù)組件，但因熔斷器和組件之間存在匹配空擋，并不能有效地保護(hù)組件；而且在過載電流情況下，熔斷器還會(huì)因熔斷慢，發(fā)熱高，容易引發(fā)著火風(fēng)險(xiǎn)，

成為光伏電站安全的重大隱患。國(guó)內(nèi)部分組串式廠家因?yàn)椴捎贸^兩路組串并聯(lián)設(shè)計(jì)，必須外置熔絲保護(hù)，因此也存在著熔斷器的安全和維護(hù)問題。

而主流組串式方案，采用無(wú)熔絲的設(shè)計(jì)方案，不僅從源頭解決了組件和線纜的保護(hù)問題，而且徹底杜絕了熔斷器安全隱患。

2.4 集中式交流斷路器代替直流斷路器使用風(fēng)險(xiǎn)分析

在前文已經(jīng)分析了高壓直流滅弧難的問題，所以1000Vdc的直流斷路器在設(shè)計(jì)上存在一定的難度，目前市場(chǎng)也只有少數(shù)廠家能夠生產(chǎn)，使得直流斷路器的價(jià)格也高出交流斷路器近2倍。近幾年，光伏行業(yè)走過了初期的美好發(fā)展，進(jìn)入了“價(jià)格戰(zhàn)”的階段，部分廠家為了降低成本，直接將交流斷路器代替直流斷路器使用，但未對(duì)滅弧系統(tǒng)進(jìn)行有效變更設(shè)計(jì)。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，交流斷路器無(wú)法將高壓直流電弧熄滅，將引發(fā)著火事故。



小結(jié)：集中式方案若直接使用交流斷路器代替直流斷路器使用，存在著火風(fēng)險(xiǎn)。而組串式變直流輸電為交流輸電，本身設(shè)計(jì)選用的就是成熟可靠的交流斷路器，風(fēng)險(xiǎn)較低。

2.5 組串式與集中式防護(hù)安全對(duì)比

主流的組串式方案采用自然散熱，IP65的防護(hù)等級(jí)，防沙塵，抗鹽霧，全密閉的設(shè)計(jì)保障逆變器25年的安全運(yùn)行。

集中式方案采用風(fēng)扇散熱，IP20設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)低，無(wú)法隔離沙塵和鹽霧。因此，集中式電站在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于環(huán)境原因會(huì)使其逆變房、逆變器和直流匯流箱內(nèi)都積滿了沙塵，需要定期對(duì)防塵棉、通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。積塵會(huì)堵塞防塵網(wǎng)、降低通風(fēng)系統(tǒng)的效率，使設(shè)備散熱性能變差，大功耗器件溫度急劇上升，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)著火事故。

在沙塵中經(jīng)常會(huì)含有部分的金屬顆粒，金屬顆粒落在電路板上，會(huì)降低電路板上的安規(guī)間距，造成放電打火。同時(shí)，因濕度增加，濕塵中的酸根和金屬離子活性增強(qiáng)，呈現(xiàn)一定酸性或堿性，對(duì)PCB的銅、焊錫、器件端點(diǎn)形成腐蝕效應(yīng)，引起設(shè)備工作異常。在沿海等高鹽霧地區(qū)，腐蝕失效現(xiàn)象更加顯著。



小結(jié)：集中式逆變器IP20防護(hù)等級(jí)，不可避免受到沙塵影響，會(huì)引起開關(guān)接觸不良，風(fēng)扇失效散熱變差，電路板打火等現(xiàn)象，存在著火風(fēng)險(xiǎn)。而組串式逆變器IP65防護(hù)等級(jí)，完全隔離沙塵，可靠性及安全性較高。

2.6 組串式逆變器和集中式逆變器防PID安全對(duì)比

我國(guó)東部地區(qū)，人口密度高，土地資源稀缺，無(wú)法和西部地區(qū)一樣發(fā)展大型地面光伏電站，結(jié)合東部地區(qū)魚塘，灘涂多的特點(diǎn)。出現(xiàn)很多漁光互補(bǔ)或?yàn)┩抗夥娬荆祟愲娬经h(huán)境濕度大，電池組件更容易出現(xiàn)PID衰減，為此，必須增加防PID措施。

集中式逆變器為防止PID問題，一般采取負(fù)極接地的方案，這樣在電池組件正極與接地系統(tǒng)之間會(huì)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(shí)若組件正極或電纜產(chǎn)生接地故障，會(huì)通過接地線產(chǎn)生故障電流或產(chǎn)生電弧放電，引發(fā)著火事故。



組串式逆變器為防止PID問題，通過在系統(tǒng)中設(shè)置虛擬正壓電路，實(shí)現(xiàn)所有電池板負(fù)極對(duì)地正電壓，安全規(guī)避PID效應(yīng)。由于電池板負(fù)極無(wú)需接地，加上逆變器內(nèi)部的殘余電流監(jiān)測(cè)電路，能夠在檢測(cè)到漏電流大于30mA的情況下，迅速切斷電路，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)人身安全。

小結(jié)：集中式采用負(fù)極接地防止PID，存在人身安全和著火兩大隱患。組串式采用虛擬正壓防止PID，無(wú)需負(fù)極接地，不存在人身安全和著火隱患。

3 總結(jié)

綜上所述，集中式方案在直流輸電、熔斷器、斷路器、防護(hù)等級(jí)、防PID效應(yīng)等方面存在著火和人身安全隱患。而組串式方案變直流輸電為交流輸電，采用無(wú)熔斷器，自然散熱，IP65防護(hù)等級(jí)，虛擬正壓防止PID，從根本上解決了集中式的著火隱患。

光伏電站安全問題已上升為中國(guó)能源戰(zhàn)略的大問題。在去年8月份舉行的在大型光伏電站高效可靠運(yùn)營(yíng)與發(fā)電增效研討會(huì)上，國(guó)家發(fā)改委能源研究所研究員王斯成就表示，“在走訪西部大量電站后發(fā)現(xiàn)，很多電站在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)了大量的安全問題，而電站質(zhì)量直接影響到電站的收益，這也是為什么目前銀行對(duì)投資電站有顧慮的主要原因之一。”

在安全方面的對(duì)比上，組串式擁有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。特別是在山地、屋頂?shù)入娬局校坏┌l(fā)生著火事故，可能引發(fā)山林火災(zāi)。而在農(nóng)光、漁光等電站中，經(jīng)常有非電站專業(yè)人員出入耕種，一旦發(fā)生人員觸電傷亡事故，影響更是難以估量。建議業(yè)主在進(jìn)行光伏電站的建設(shè)及方案設(shè)計(jì)時(shí)更需要著重考慮安全問題。