并网光伏电站安全质量问题分析

【本文独家约稿：作者：顺德中山大学太阳能研究院---孙韵琳，陈荣荣，陈思铭；广东产品质量监督检测研究院---曾飞】

1.引言
近几年，我国光伏发电产业蓬勃发展，自2013年7月15日，国务院发布《促进光伏产业健康发展的若干意见》以来，国家多部门纷纷出台政策、意见，鼓励支持光伏发电项目。在国家政策如此利好的大环境下，多个省份陆续出台各种政策，旨在贯彻落实国务院精神，推动光伏发电的建设和发展。从2009年国家推行“金太阳”示范工程，到现如今分布式光伏的大力发展，昭示着我国正在开启光伏发电领域的新纪元。
2015年3月9日，国家能源局公布《2014年光伏发电统计信息》，报告中提到[1]，我国2014年新增光伏装机容量约为10.6 GWp，排名世界第一，约占全球新增装机容量的1/5。其中，光伏电站8.55 GWp，分布式光伏2.05 GWp，。截至2014年底，我国光伏发电累计装机容量为28.05 GWp，排名世界第二，同比增长60%，其中光伏电站23.38 GWp，分布式光伏4.67 GWp。
但是，这个光鲜的光伏电站建设潮下面隐藏的是频现的电站质量问题。近年来，国内外均陆续报道了不少光伏电站的安全事故，多为各种原因引起的火灾、雷击、触电等，其中，比较多的案例是光伏电站起火。2012年7月，位于德国某地的光伏电站起火，起火点发生在屋顶光伏组件的汇流箱处。2013年8月，天津某生态城服务中心的屋顶电站项目发生火灾，虽然消防部门初步确认，起火原因为天气过热，引发楼顶防水层和光伏组件自燃，但是，我们更应该从电站本身的建设、管理以及光伏组件的质量问题等方面深究起火的原因。2015年5月，位于美国亚利桑那州的苹果公司Mesea数据中心发生火灾，目前起火原因尚未明确。光伏电站一旦起火，很难扑灭，因此有些电站起火，人们也只能眼睁睁看着电站自己烧完。除起火外，还有报道称国内电站曾遭遇雷击，特别在夏季多雷暴区，光伏电站一旦遭到雷击，导致设备毁坏，系统无法正常运行，危及周围人员的人身安全。
2光伏电站安全质量事故与风险
光伏电站的质量一般可包括发电性能和安全性能。发电性能主要反映在系统效率上，系统效率的高低反映了发电性能的优劣；对安全性能而言，可能出现的问题是雷击、触电、起火等。
关于发电性能，目前我国有比较明确的标准规范，主要有以下两份：一是国家能源局于2013年11月印发的《光伏发电运营监管暂行办法》[5]，规定国务院和能源主管部门及其派出机构按照有关规定对光伏发电的电能质量实施监管，二是2014年10月发布的由中国科学院电工研究所光伏技术检测中心制定的《并网光伏电站性能监测与质量评估技术规范（征求意见稿）》[6]，该规范也是主要围绕光伏电站的发电性能展开的。而对于安全性能而言，虽然有很多标准规范（如GB 50797 光伏发电站设计规范）都有涉及电站安全中的一个或几个部分，但是，没有一项是专门针对光伏电站安全方面提出的，这也就导致了光伏电站在前期咨询设计、设备采购、施工建设以及后期运行维护各环节均可能出现电站质量问题的重要原因，如若电站发电性能降低，就会影响电站投资方的收益，而一旦发生安全事故，则有可能会酿成意想不到的惨剧。因此，我国亟待建立光伏电站安全方面的标准体系。
广东质检院有专门针对光伏电站开展光伏电站质量安全风险监测项目，该项目认为光伏电站常见的安全事故和风险主要包括以下两点[4]：
（1）接地失效—触电风险，雷击风险
如果光伏方阵没有可靠接地，可能导致组件边框带有高压，人员或动物靠近时，有触电的危险。汇流箱和逆变器外壳没有可靠接地，容易使维护人员带电操作，有人身安全的风险。另外，位于屋顶的面积巨大的光伏方阵在没有接地的情况下，雷雨天气时就成为一个大型引雷场，容易引起雷击，造成设备损坏甚至组件及线路的燃烧。这就要求光伏电站的防雷接地系统安全可靠、符合国家有关规定，以尽可能避免相关人员触电风险和雷击风险。
（2）绝缘失效—电气短路和打弧风险
如果光伏方阵边框和线缆绝缘电阻过低，在长时间的高压大电流和高温高湿的使用环境下，容易造成绝缘层失效，导致电气短路和打弧。图2所示为汇流箱被火烧后的情形，可见，汇流箱及内部器件全部损坏，顶部组件也因高温产生形变。此案例发生在早上6点左右，事后进行检查时，发现原因是由于早上气温较低，组件运行在较低气温的环境下时，输出电压较大，汇流箱内部平衡器件在高压的情况下被击穿，正负极短路，并导致器件通过电流过大，进而引发火灾。
可从如下几个方面预防电站出现电气短路和直流拉弧：
（1）采购过程中确保设备质量和规格符合有关规定；
（2）建立电气连续性巡检及维护计划，确保电气连接稳固可靠；
（3）规范设备检测技术与流程，确保设备检测工作有效安全进行；
（4）保证光伏电站消防设计符合国家有关规定。
3光伏电站安全质量问题案例
下面将列举在设计、采购、施工、运行等各个环节可能引发安全质量问题的案例。光伏电站中发生的这些安全质量问题，无疑会降低光伏电站的安全性能。
3.1方阵场存在的安全质量问题
图3至图10展示的是光伏方阵场可能存在的安全质量问题。其中，图3、图4所示为组件被局部遮挡，图5展示的是组件被踩踏，这三种情况均可能导致组件产生热斑效应，严重情况下会引起组件背板烧穿（如图6所示），进而引发火灾。
图7展示的是光伏组件表面大量积灰，这是由于未进行有效的运维，导致灰尘大量堆积，将严重影响电站的发电性能；图8同样展示的是组件表面被灰尘等物质覆盖，但该现象是由于方阵场受周围排出物污染。
图9所示的阵列中组件的连接线未收到组件下，暴晒条件下会导致连接线老化加速；图10所示为组件无边框导致进水，且组件的无边框设计未通过相应认证。这两种情况均会降低组件的绝缘等级。
3.2汇流箱可能存在的安全质量问题
图11和图12展示的是汇流箱密封不良，密封不良会增加汇流箱进水的风险，而汇流箱进水容易导致绝缘等级降低，同时发生正负极短路的危险。进水现象除与汇流箱本身密封不良有关外，安装方式也会在一定程度上造成影响。图13的3张图展示了光伏电站中出现过的汇流箱的三种安装方式，显而易见，直接平放在屋面的安装方式会增加汇流箱进水的风险。（a）中的光伏电站将汇流盒与屋顶完全平行安装，角度大约5°，接近水平，且部分汇流盒由于屋顶朝向的原因，进线口朝上或朝下安装均存在，进线口朝上的汇流盒则更容易在大雨天气进水；（b）中所示是一般屋顶电站中通常采用的安装方式；（c）中的集中式汇流箱倾斜大约45°安装，相比水平安装的汇流箱可在一定程度上降低进水的风险，但风险仍然存在。

图13 汇流箱的安装方式[4]
目前的光伏电站中，汇流箱还存在以下安全质量问题，如图14至图18所示。需要特别说明的是图16所示案例，汇流箱内的接线未区分正负极，这将给电站检测、运维等带来不便，同时增加了检修人员触电的危险。
                                                    图14汇流箱端子安装不牢固[7]                          图15汇流箱端子虚接[7]
值得注意的是，通过对多个光伏电站进行绝缘测试和电气检查发现，有些电站均存在绝缘风险（如图11和图12所示电站），但其绝缘电阻测试值均符合要求，说明仅靠测试值不能完全反应电站的安全性，长期运行风险仍然比较大。因此，需结合绝缘测试和电气检查，对电站进行全面考察，进而判断电站的安全性。
3.3防雷接地系统可能存在的安全质量问题
防雷接地系统的存在，就是采取有效措施，防止直击雷、感应雷、雷电波对光伏电站的破坏，保证光伏电站长期稳定、安全、可靠的运行。光伏电站防雷接地系统的可靠性将直接关系到电站是否存在遭雷击的风险。下面列举了防雷接地系统中存在的比较典型的安全质量问题的案例。
（1）防雷接地材料锈蚀

图19展示的是汇流槽的接地线老化严重，已不具备连接作用。图20展示的是接地线的螺丝生锈，连接处可能存在虚接现象，导致接地失效。                                                            图19汇流槽接线老化严重                                 图20接地线螺丝生锈[7]
（2）防雷接地系统设计存在问题
目前，国内对光伏电站的防雷接地措施尚无明确的设计要求，特别是无标准规定光伏电站的防雷接地是否必须采用独立接地的方式。为降低成本，国内已建设的分布式光伏电站仅有少数进行了独立接地，其余大部分与建筑物共用防雷接地系统。共用防雷接地系统的项目中，一部分将组件边框与支架连接，再与屋顶原有的接地系统连通（图21），这样光伏组件本身作为防雷的接闪器，圆钢/扁钢为引下线，一般认为只要各部分电气连接良好，也可达到较好的防雷接地效果；而另一部分彩钢瓦屋顶电站则本身没有引下线，光伏系统也不额外安装引下线，直接用压具将组件边框与彩钢瓦固定，从而与金属屋面连通（图22），这种安装方式极易受压具与彩钢瓦屋顶接触质量的影响，导致接地连续性电阻值偏高[4]。                                                       图21组件与屋顶共用防雷接地系统[7]               图22组件边框直接与彩钢瓦固定[7]
（3）防雷接地系统存在的其他问题
防雷接地系统中还有可能存在以下安全问题，图23展示的是接地扁铁未涂黄绿漆，甚至部分电站竣工后，仍然出现防雷接地装置尚未完成的现象（如图24所示），这是由于建设为了赶工期，以便尽早拿到补贴，从而忽视了电站安全问题。
                                                          图23接地扁铁未涂黄绿油漆[7]                   图24接地系统未完成[7]
3.4其他安全质量问题
下面列举一些其他安全质量问题，图25所示的案例会降低系统的绝缘性，容易出现漏电的危险。图（a）所示为电缆被螺丝刺破；图（b）所示为管道边缘的电缆未实行保护措施，电缆与管道摩擦易破损，影响绝缘性；图（c）所示为电缆沟内有水，光伏电缆进水，这无疑会降低电缆的绝缘等级。


图25 降低绝缘性的其他安全质量问题
光伏组件安装于户外，不可避免地会由于人为踩踏、重物撞击等原因造成个别组件破损，这种现象在采用无边框组件的电站中更加常见。组件破损会造成内部带高电压的电池裸露于空气中，从而带来触电风险，绝缘等级降低[4]。图27所示为电站中使用的型材生锈，长期运行下去会影响方阵场的牢固性。图28所示的电站中未张贴光伏电站警告标志，会加大人员触电的危险。
光伏电站中发生的这些质量问题，无疑会降低光伏电站的输出性能，导致电站经济收益下降，甚至直接导致电站失效。我国亟待推出相应监管体系，用以规范光伏电站设计、施工、建设等各个阶段。作为光伏从业人员，我们需要注重全过程质量管理，加强光伏应用标准体系建设；应用光伏电站全生命周期理念，在光伏电站长达25年的生命周期里，结合应用气候环境对材料进行选择，在产品制造、系统设计、施工建设、运行维护全过程中进行严格质量管控，尽可能做到降低电站的潜在安全风险。
参考文献：
[1]国家能源局，2014年光伏发电统计信息，2014.
[2]http://www.ocn.com.cn/info/201410/lushiu081014.shtml.
[3]http://solar.ofweek.com/2015-06/ART-260009-8440-28969057.html
[4]广东质检院光伏质检中心（广东），《分布式光伏电站质量安全风险监测分析报告》（国家质检总局2014年重点工业产品质量安全风险监测计划项目）。
[5]国家能源局，《光伏发电运营监管暂行办法》，2013。
[6]国家发改委，《光伏电站性能检测与质量评估技术规范(征求意见稿)》，2014。
[7]图片来源：广东质检院国家光伏质检中心。
[8]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。