纪振双：切断电气火灾“导火索”，助力分布式光伏全场景应用

近些年，分布式光伏电气火灾偶有发生，已成为产业健康发展的“绊脚石”，并引起各方重视，一些地方已根据当地实际和发展需要，着手进行分布式光伏消防安全标准制订工作。年内，北京市已将“建筑光伏消防技术规范”列入地方标准增补计划，并由北京鉴衡认证中心作为主要起草单位，日前，已完成初编稿的编制工作。

分布式光伏消防安全为系统性工程，需要体系化标准进行支撑，考虑到这一点，编制组在开展“建筑光伏消防技术规范”内容策划时，同步确定了需要增补的序列支持性标准，其中，《分布式光伏发电系统消防安全等级评定技术规范 第一部分：直流侧电气安全故障监测与响应》（以下称“监测规范”）为序列标准的重中之重。基于此，“鉴衡”组织相关单位在完成“建筑光伏消防技术规范”初编稿的同时，率先完成了“监测规范”的编制。为使业界了解“监测规范”的编制思路和重点，本文作了概要性解读。

一、分布式光伏消防安全范围及“直流侧电气安全故障监测和保护”在其中的作用

“预防为主、防消结合”为消防工作的基本方针，广义理解，“消除隐患，预防灾患”为消防工作的首要任务。图1为根据上述理解，结合光伏发电的特点，给出的分布式光伏消防管理基本过程和范围框图。

对照图1，总体看，我们发现：

1） 现行与光伏发电工程建设、电站设备、检测与评估相关的标准中，或多或少地涉及图中A、B过程相关内容，但系统性方面存在的问题比较突出；

2） 与图中C~E过程相关的要求，光伏发电相关标准中大多借用其他标准中的相关要求，局部不适用的问题比较突出；

3） 缺少A~E过程系统串接的技术文件。

对照图1中A、B两个过程，可将分布式光伏电气安全细分为4个子项内容，包括：直流侧电气安全设计与施工、直流电气安全故障监测与响应、交流侧电气安全设计与施工、交流侧电气安全故障监测与响应。对比4个子项内容：

1）分布式光伏交流侧电气安全设计、施工与灾患防控与其他发电形式大同小异，而直流侧具有安全隐患点位及故障表象多、散、杂特点，是分布式光伏消防安全的重中之重。

2） 比较图中直流侧A过程（消除隐患）和B过程（预防灾患），对比现有技术条件和经济性，在并重的前提下，可率先突破B过程，即故障监测和响应中的关键技术，使其真正发挥“堤坝”作用，阻断诱发光伏电气火灾的“导火索”。

二、直流侧诱发火灾的故障类型、监测和保护技术现状及发展方向

分布式光伏直流侧诱发电气火灾的故障可分为4大类、12个中类，见图2。

图2所示的12个中类中，标示为“A”的为现有技术可以直接监测的故障类型；标示为“B”的为现有技术难于直接监测、但可通过映射参数或故障模型间接监测的故障类型；标示为“C”为主要通过系统设计（含设备选型）、日常维护进行防控的故障类型。

总体看，围绕“将火灾风险降至可接受水平“这一防控指标，技术角度，还有较长的路要走：

1） 目前，已具备相对成熟监测和保护技术的故障类型，包括接地故障、过电流、串联电弧故障等，仍存在监测和保护盲区或漏点，需要进行技术和程序性“补丁”；

2） 图2中标示为“B”的故障类型，虽然发生频次较低，但危害较大，目前尚缺少有效的应对方案，下一步：

    a)  现实条件下，可通过“先兆“性故障或电学参数异常变化进行监测或诊断的故障类型，宜基于故障间交互作用机理和火灾演进过程，尽速建立起监测或诊断精度在可接受范围的防控方案；

    b)  长远看，一是要注重B类故障直接监测技术的开发和应用；二是充分利用数智化技术，基于相关变量或模态的异常变化，进行故障的精准监测、诊断和防控。

三、“监测规范”编制的指导原则

为确保“监测规范”发布后“用得上、管得住”，总体策划时，编制组确定了以下2条基本原则，用于指导“监测规范”的编制。

原则一：需求导向

类似于 IEC 62548《光伏方阵—设计要求》，“监测规范”为用于指导电站建设和运维的系统级标准，意味着在进行“监测规范”内容设计和评估具体要求适度性时，以是否满足应用需求为落脚点。基于前述考虑，准备阶段，编制组首先对“故障监测和保护“在系统应用中的需求和技术现状进行了解析，图3为解析过程逻辑框图和内容概要。

原则二：风险适配、措施对等

“风险”是指事故发生的可能性与后果的组合，意味着，如果将风险控制在同一水平，需要根据事故后果反推可接受的概率水平，进而确定设防等级及控制措施。基于上述认识， “监测规范”中对应用场景进行了分类，并根据不同类别场景火灾危险性明确了电气安全设防等级及相关技术要求。

另外，按照系统安全理论，安全是指“免除了不可接受风险的状态”，意味着，安全是个相对概念。基于上述认识，统筹考虑安全成本、现实及未来发展需要，“监测规范”中将安全设防分为3个等级，并与应用场景火灾危险性对应，这也意味着，现有技术条件下，无法满足风险控制要求的应用场景，不应强行安装光伏发电设备。

图4为安全分级逻辑框图。

四、“监测规范”内容精要

“监测规范”围绕图2所述的各类故障，明确了“故障监测和保护”不同设防等级的控制指标和具体要求。以下为针对采用目前领先技术，特别是数字化和AI技术加持后所能达到的最好水平（L4），“监测规范”内容精要。

1、总要求

对意外释放能量直接引发火灾或导致材料和器件超出其耐热限值的故障类型，“监测规范”强调了以下两点：

1）全范围、无盲目、精准监测和保护，包括：

对直流串联拉弧、对地绝缘（含对地形成通道和未形成通道的绝缘故障）、源自其他单元或外部能量源的反向过电流等故障，进行直接、无盲区监测，并采取主动保护方式及严格的自动复位程序；

对直流并联和对地电弧、线间绝缘故障及带电体与设备框（壳）及外部导体间的绝缘故障（未与地形成通路）、回路间局部环流等尚不具备直接监测条件的故障类型，一是通过致因性监测实施超前保护；二是基于故障导致运行参数的异常变化实施映射性监测或诊断。

图5为各类故障监测和保护方式概览（示例）。

2) 通常，火灾事故为几种类型故障交互作用的结果，针对这一实际，“监测规范”强调事故演进过程“源故障”的监测和保护。图6为各类故障交互作用并演进为火灾的逻辑框图。

2、拉弧监测和保护

对图2所述的3种电弧故障，“监测规范”强调：

1）对可以直接监测的串联电弧，进行无盲区、精准监测；

2）对不能直接监测的并联电弧、对地电弧，采取致因性、超前监测和保护。

针对发生频次较高、可以直接监测的串联电弧，“监测规范”特别强调场景适配、风险对等，见图7、图8给出的示例。

3、绝缘故障监测和保护

对图2所述的3种绝缘故障类型，“监测规范”强调：

1）对可以直接监测的对地绝缘故障，进行无盲区、精准监测；

2）对不能直接监测的线间绝缘故障及带电部分与周边未与地导通导体间绝缘故障，针对故障影响，根据映射参数的异常变化进行监测或诊断。

对发生频次较高、可以直接监测的接地故障，“监测规范”特别强调：针对存在监测盲区（见图9示例）及重复自动复位加重火灾风险的故障场景，在调整绝缘保护阈值和程序设定的同时，强调对地绝缘绝对和相对水平并重、联动自锁（见图10示例）。

图9. 存在监测盲区故障场景示例

4、过电流故障检测与保护

对图2所述的3类故障电流，“监测规范”强调：

1）对超出设备允值的过电流（见图11），全范围、无盲区保护；

2）异常诊断、预警、过流并重，实现精准、主动保护（见图12）。

五、结语

截至2024年6月底，中国光伏发电装机容量达到7.13亿千瓦，其中，分布式光伏占比为43.5%，全国范围看光伏应用“集中式、分布式并举”的发展格局已经形成。分布式光伏建于负荷侧，已深入到千行百业、千家万户，与企业生产经营和百姓生活直接相关，相较于集中式电站，安全风险级数增加。依靠技术进步，特别是数智化手段，提高电站主动安全能力，将安全风险控制在可接受水平，是保证分布式光伏可持续发展的基础。