彩钢瓦屋面光伏的火灾风险分析及防火对策

王冰

摘要：随着全球能源短缺和环境污染问题日益突出，太阳能光伏产业作为可再生清洁能源发展迅速，由于光伏电站是近几年发展的新兴产业，工程建设和日常管理涉及消防设计和安全管理等一系列问题。本文介绍了光伏电站的组成、火灾危险性，并有针对性对经常使用彩钢瓦屋面光伏电站提出了安全措施和消防设施等设计要求，为此类建筑光伏电站的消防设计和安全管理提供了参考。

关键词：消防;彩钢瓦;光伏电站;火灾危险性;防火对策

1 引言

随着世界常规能源供应日益短缺和环境污染问题日益突出，人类已意识到能源和环境的危机，开始寻求再生清洁能源来代替常规能源。太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。近年来，我国太阳能光伏发电技术得到了快速发展，在工业和民用领域得到全面推广，特别是一些大跨度彩钢板屋顶上，闲置区域都被合理利用安装上光伏电站，由此带来的消防安全成为新的课题。

2 光伏发电系统的工作原理

在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求;再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。

3 光伏发电系统的组成

光伏系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，逆变器，充放电控制器，交流配电柜等设备组成。其各部分设备的作用是：

（一）太阳能电池方阵：在有光照情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，也就是“光生伏打效应”，在此作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。

（二）蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄電池和镉镍蓄电池。

（三）逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器，按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。

（四）充放电控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备，能控制蓄电池组过充电或过放电，延长蓄电池的使用寿命。

（五）交流配电柜：其在光伏发电系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。

4 光伏发电系统的火灾危险性

自光伏系统出现以来，光伏相关的火灾就接二连三。看上去都是玻璃、金属边框的光伏系统，其实存在着各种安全隐患。

4.1光伏系统的材料

貌似都是金属部件、玻璃等无机物，但事实上光伏发电系统的关键部件电池方阵（电池板）包含大量可燃组件。光伏产品中可以燃烧的材料包括组件封装材料、背板、接线盒、硅胶、电池片、导电胶、电缆绝缘层、电气箱和逆变器中的各种元器件、线缆等。在起火时，这些材料都是可燃物。

4.2光伏系统的布设位置

因考虑到空间利用和发电率因素，现在我国光伏发电站大部分都设置在闲置屋顶、特别是一些大跨度的工商业彩钢板屋顶上，这给日常维护检查防范增加了很大的难度，更有一些光伏发电站设置在聚苯乙烯板（泡沫板）彩钢瓦屋面上，一旦发生火灾难以扑救且迅速蔓延到整个建筑。

4.3光伏电气系统的危险系数

只要是电气系统，就有因为电流而起火的风险。随着光伏技术的进步，光伏产品的功率等级和电流电压不断提高，光伏系统从最初的600V设计提高至1000V，现在又在向1500V转型，更高的电压更容易导致起火;高效电池的出现，让电池片产生的电流更高，经过汇流等措施，更高的电流容易导致系统温度上升，甚至起火;安装的普及导致组件运行发电的环境不受控，因为阴影或电池质量问题带来的热斑效应，或是环境本身起火而导致起火;电站设计安装的不规范，如未做好有效接地、使用不合格产品等导致的起火等。

5 常见的彩钢瓦屋面光伏火灾发生和蔓延的原因

5.1选址设计不合理

对于彩钢瓦屋面的光伏系统，大部分光伏电缆都直接与彩钢瓦屋面接触，尤其在南方沿海地区，湿度高，温度高，工作环境恶劣，另外光伏系统直流侧打弧时有发生，接触屋面的线缆打弧时会烧穿屋面甚至发生火灾[1]。

5.2系统安装不规范和产品问题参差不齐

光伏发电站作为一种新兴产物，市场上目前流入了许多不合格产品，甚至会以次充好、以旧充新。安装施工时因安装不当易造成玻璃划伤或隐裂形成热斑隐患，抗紫外、抗老化能力较差易造成组件衰减或寿命降低，防电击、绝缘故障、过电流、接地、过电压、防雷击保护等不规范易造成电气系统安全隐患，还有支架歪斜、螺栓锈蚀、基础风化问题，线缆混用、接线错误、线缆裸露等问题，这些都会给火灾事故的发生埋下隐患。

5.3后期运维不当或欠缺

彩钢瓦屋面的光伏系统因受设置位置制约，后期运维难度较大，运维人员到屋面操作时极易造成设备损伤形成隐裂、热斑、接头漏电、电线磨损等可能导致火灾的因素，因运维频次等原因极易造成组件表面或边框积灰形成的严重热斑温升从而导致火灾发生。

5.4故障后无法紧急切断

屋顶光伏电缆线槽内的直流光伏电缆短路后，其故障将始终存在，无法自动切除，将导致起火蔓延;在救援人员上屋顶后也不能通过简单操作切除电源，只能通过剪光伏线的方式切除光伏组件电源，给火灾扑救增加了难度。

5.5火灾报警和灭火设施不足

彩钢瓦屋面的光伏系统发生火灾初期很难被发现，就會错失第一时间扑救初期火灾，发生火灾后，屋顶光伏系统缺少必要的灭火设施，只能等消防人员前来扑救。屋顶光伏火灾灭火情景往往都是消防员远远地用水龙将火势控制住，不让火势蔓延到其它地方，而已着火的区域就只能让它烧光了。

6 彩钢瓦屋面光伏火灾的防火对策

6.1合理选址并做好安装防护措施

在光伏系统安装前要合理选址，尽量安装在附近没有可燃物的平地或浇筑屋面，确需安装在彩钢瓦屋面屋面时要确保彩钢瓦夹心材料为岩棉等不燃材料，并做好安装相关防护措施。

一是合理布设太阳能电池方阵，可以参考防火分区的概念分区域间隔布设，不要布设在屋顶边缘和运维难度较大的死角部位，为后期防护和运维留出间隔和通道;

二是可以考虑在彩钢瓦和光伏电缆之间加装额外的绝缘材料，比如套管，绝缘材料的线槽等，避免光伏电缆与彩钢瓦直接接触;

三是加装在发生拉弧时关断系统并及时排查故障直流拉弧检测装置，或者是加装能够在电弧发生时快速判断电弧故障并及时断开故障电路的电弧故障保护装置。目前在北美超过80伏的光伏系统必须安装直流拉弧检测装置，IEC也在开发直流拉弧装置的标准，我国也出台了安徽省地方标准《建筑光伏系统防火技术规范》（DB34/T3188-2018）要求光伏系统应设置电弧故障保护装置[2]。

6.2严控施工安装和产品质量关

在安装施工时要严控施工单位进入门槛、严把产品质量关，确保具备资质的优质施工单位施工安装，确保使用的光伏组件和光伏构件每样都是合格产品，燃烧性能应符合GB 8624-2012中不低于B1级的要求[3]，防火性能应符合UL790中A级的要求。特别是要规范线缆连接施工，选用经过认证的相关产品和有耐候性、阻燃性的直流线缆，同时保证施工符合国家电工标准，严把质量关，无限降低直流电缆短路的概率。

6.3建立合理的运维制度和周期

根据不同项目的实际情况建立合理的运维制度和周期，一是安装布设时和结合后期运维留出间隔和通道，避免运维时极易造成设备损伤形成隐裂、热斑、接头漏电、电线磨损等火灾隐患;二是定期排查设备隐患，及时清理组件表面或边框积灰，全面排查隐患，防范于未然。

6.4加装快速关断装置

美国NEC2017系统规范中明确规定需要在紧急情况下，将系统的直流电压降低到80V以内，以确保消防员可以迅速采取灭火措施，防止事故扩大。国内的分布式标准也在逐步跟进，安徽省已出台了首个光伏系统防火技术规范地方标准，要求建筑光伏系统应设置快速关闭装置控制断开建筑光伏系统直流和交流电路，直流电路在快速关闭装置开始工作的10s内，受控导线的电压应被限制不超过60V或回路电流应被限制不超1mA。加装快速关断装置后一旦光伏方阵出现问题（不管是不是光伏电缆短路还是别的）可以从组件端切断线路，这样的话整个阵列一直到逆变器交流输出都是没电的状态，以便于防止火灾蔓延和更快的扑救火灾。

6.5设置火灾自动报警和灭火设施

根据建筑光伏系统的规模设置火灾自动报警及灭火设施，在汇流箱、电缆沟道管井、配电装置室内应安装火灾探测器，探测器类型的选择、布置及敷设应符合GB50116的要求;设置灭火器等消防器材，规模光伏系统还应配置超细干粉等自动灭火系统，一旦发现火灾可以第一时间发现并采取有效的灭火设施进行扑救，避免了火灾的蔓延扩大[4]。

7 结语

光伏发电是近年来发展的新兴产业，是解决未来能源需求的重要途径。由于目前国标没有制定专门的光伏发电站防火设计标准，对光伏系统设计中的消防要求作出具体规定，光伏发电站产品、施工、运维等标准要求也参差不齐，本文从光伏发电系统的原理、构成、火灾危险性、常见的火灾原因和防火对策等方面进行了阐述，为光伏火灾的预防提供了参考。

参考文献：

[1]  GB 50229-2019，火力发电厂与变电站设计防火标准[S].

[2]  DB34/T 3188-2018，建筑光伏系统防火技术规范[S].

[3] GB 8624-2012，建筑材料及制品燃烧性能分级[S].

[4] 苏明涛，光伏电站火灾危险性及防火对策[J].消防技术与产品     信息，2013（8）.