基于感溫電纜光伏電站火災預警方法研究

■ 王哲 劉莉敏 劉璇璇 林燕梅

(1.北京科諾偉業科技股份有限公司; 2.北京鑒衡認證中心)

0 引言

近年來隨著光伏產業的迅猛發展，越來越多的問題也暴露在人們面前，其中光伏發電系統的火災問題，特別是與建筑結合的光伏發電系統的火災，可能造成人身、財產的巨大損失，尤其應引起業內重視。圖1為光伏電站燃燒后的近景(圖1a)及某屋頂光伏電站的光伏組件發生燃燒時的全景(圖1b)，燃燒現場慘不忍睹。

圖1 光伏組件燃燒現場

為了減少火災事故的發生，一方面應提高產品質量，另一方面應增加預防措施。經統計，光伏發電系統的起火點一般發生于逆變器、光伏組件、電纜和匯流箱。圖2是在德國召開的第九屆光伏防火安全研討會上德國聯邦環境部及自然保護和核安全(BMU)組織提供的光伏發電系統火災起因各部件比例直方圖[1]。該圖顯示逆變器所占的比例最高，但其安裝地相對集中，較易監控。因此，光伏發電系統火災監測的難點在于大面積或分散安裝的光伏組件、電纜、匯流箱的著火點監控。

圖2 光伏發電系統火災起因各部件比例直方圖

目前，國內外已有少數業主采用有人值守視頻監控和專業火災報警方式。對于大面積光伏組串，由于成本限制僅采用視頻監控，往往都是火勢起來后才能監測到，很難做到著火點早期發現并及時處理。而專業火災報警可做到著火點早期預警，但投入成本高，應用較少。本文提出利用感溫電纜與匯流箱結合，實現火災預警、報警功能的兩種方法，可克服現有專業火災報警系統成本高、人工視頻監控無法做到早期預警的問題。

1 感溫電纜監測原理

感溫電纜又名線型感溫火災探測器，具有沿全線長連續監測保護對象溫度的能力，保護面積大、定位準確、適應環境性強、安裝布線簡單，非常適合光伏組件、電纜、匯流箱的監測。感溫電纜一般分為68 ℃、88 ℃、105 ℃、138 ℃、180 ℃5個級別。在電站應用中感溫電纜與光伏組件和匯流箱連接電纜同步并行鋪設，依據不同的場合可選用不同額定動作溫度的感溫電纜。

感溫電纜由兩根用熱敏材料絕緣的絲組成, 其探測原理是：當光伏組件、電纜和匯流箱溫度升高到一定值時，熱敏材料感應溫度使電阻降低，可利用匯流箱監控模塊對這種電阻值變化進行監測。

感溫電纜的溫度范圍選擇要根據鋪設地的實際情況綜合考慮。例如山東即墨某光伏電站，2012年實測數據表明組件全年最高溫度不超過50 ℃，圖3給出了2012年7月22日－8月1日這段時間內的溫度曲線。根據易燃材料電纜皮的主要成分及可燃點，匯流箱溫度全年都在60 ℃以下，所以選擇88 ℃等級的感溫電纜實現火災預測報警。對于其他地方，可利用類似方法依據當地環境因素合理選擇感溫電纜。

圖3 山東即墨光伏電站環境與組件溫度曲線

2 利用匯流箱與電站監控系統進行火災預警的方法

2.1 火災預警智能匯流箱與系統之間連接關系

火災預警智能匯流箱與系統之間連接關系如圖4所示。圖中通過點劃線突出表示感溫電纜與電力電纜并行鋪設到匯流箱內，經匯流箱監測后由通訊電纜上傳到電站監控系統。

圖4 火災預警智能匯流箱與光伏系統之間連接關系框圖

2.2 監測原理

火災預警智能匯流箱與系統關系原理圖如圖5所示。其中， A虛線為分隔線，右側為智能匯流箱，左側為光伏陣列；B虛線框內為組件匯流單元；C框為監測單元；D為LED匯流箱表面燈光報警指示；E為光伏陣列及光伏陣列與匯流箱連接電纜；F為感溫電纜；G為感溫電纜在匯流箱內關鍵點鋪設。

圖5 火災預警智能匯流箱與系統關系原理圖

分別將感溫電纜1到感溫電纜n一端通過I/O接線端子與“監控單元”I/O對應連接，如圖6所示。

圖6 利用匯流箱與光伏電站監控系統進行火災預警的原理圖

同樣匯流箱內G感溫電纜在匯流箱內關鍵點(接線端子、熔絲、避雷器、斷路器、母排等)鋪設并與“監控單元”I/O對應連接。

正常時監控單元I/O口為高電平即I1電平為Vcc，當光伏陣列、光伏陣列與匯流箱連接電纜和匯流箱某一部分溫度升高到一定值時，熱敏材料感應溫度使電阻降低，如感溫電纜a與b點阻值降低或短路，此時由于感溫電纜b點經限流電阻R3接-Vcc，所以短路前a點電壓近似-Vcc，而I1電壓為Vcc與-Vcc在R1、R2、R3上的分壓為0 V低電平，I/O口低電平被中斷，經監控單元軟件處理識別，分別啟動匯流箱表面LED燈光閃爍告警，同時利用智能匯流箱通訊，同步向電站監控管理系統實時發送報警信息。I/O感溫電纜的多少取決于匯流箱接入光伏陣列數量。

電站監控管理系統接收報警信息，解析信息數據，可快速在電站監控管理系統終端界面顯示并定位發熱部件位置，聲光報警同步啟動。

集電池組件匯流、電參數監測、火災預警及數據通訊于一體，不僅保證原有功能又達到火災預警的目的，實現具有火災預警功能的智能匯流箱。監測界面示例如圖7所示。

圖7 監測界面示例圖

3 利用匯流箱和視頻服務器聯動進行火災預警的方法

許多電站為了防范火災發生，一般都安裝網絡視頻監控系統(見圖8)，當起火點被發現時，事故已發生，如若救助不及時則會造成人員財產重大的損失。為此本文提出一種利用匯流箱監測感溫電纜，匯流箱輸出與視頻服務器聯動進行火災預警、報警的方法，實現視頻監控終端快速視頻定位，并聲光報警。

圖8 網絡視頻監控系統

3.1 匯流箱和視頻服務器聯動進行火災預警、報警與系統之間連接關系

匯流箱和視頻服務器聯動進行火災預警、報警與系統之間連接關系如圖9所示。

圖9 匯流箱和視頻服務器聯動進行火災預警與光伏系統之間連接關系圖

3.2 監控原理說明

監控原理如圖10所示。其中，S為視頻聯動信號；Q為匯流箱通、斷信號。

圖10 利用匯流箱和視頻服務器聯動進行火災預警的原理圖

當監控單元監測到I/O狀態改變時，此時監控單元啟動S視頻聯動信號，控制視頻服務器報警輸入端Alarm In，視頻服務器檢測到Alarm In報警信號并利用與視頻監控終端通訊發出報警信息，此報警信息被視頻監控終端解析后視頻終端圖像快速切換到報警現場圖像，同時發出聲光報警信號，監控終端人員通過報警視頻現場LED燈光閃爍報警快速定位。

4 結論

該文提出了一種基于感溫電纜和匯流箱智能監控模塊的火災預警系統，選用熱敏絕緣材料熔點高于光伏組件最高溫度，低于電纜皮的最低燃點的感溫電纜，可在火災形成之前進行預警、報警。通過實時監控匯流箱的每組輸入陣列，達到電站監控系統終端快速定位告警陣列回路(組件、電纜)的目的。

該方法在智能匯流箱上實現，監測部分不需增加硬件成本，只在軟、硬件上略有改動，便可在實現匯流的同時完成火災預警、報警的目的。與專業火災監控系統相比，取代了專業成本高的監控單元及火災監控中心或上位機等，在相同數量的感溫電纜情況下，成本大大降低，并達到專業火災監測目的，施工簡單具有很強的操作性及實用性。

電站監控系統與視頻服務器兩種監控方法結合應用效果更好。

[1] Hermann Laukamp.PV systems and fire hazard[A]. 9th wordshop on the Fnture Direction of Photovoltaics[C], Fukuoka, 2013.