编辑 | 清韵
翻译 | Selina
出品 | PV光圈见闻
当太阳能电站发生火灾时，后果可能是毁灭性的——不仅对发电设施，而且对周围环境和当地社区也是如此。最近发生的一些备受瞩目的事件突出表明，人们迫切需要了解并降低这些风险。
包括火灾在内的热事件不仅造成了巨大的经济损失和运行停机，还引发了对太阳能基础设施整体安全性和可靠性的严重质疑。了解此类火灾的根本原因对于防止未来悲剧的发生和确保可再生能源的持续增长至关重要。
虽然许多火灾可追溯到不良的安装实践，但在热事件发生后代表客户进行的深入调查中，清洁能源协会(CEA)发现了更深层次的问题。光伏系统建设的四大支柱是规划/设计、设备选择、可施工性和可维护性。
屋顶太阳能电池阵列被火烧毁。彻底的设备尽职调查有助于降低风险。图片：CEA.
CEA遇到的大多数故障都可以通过第三方的适当尽职调查来避免。在本文中，我们将讨论我们发现的一些鲜为人知的问题，这些问题只有通过对故障组件进行彻底的分析才能发现。
随着人们越来越倾向于使用更紧凑、更高效的逆变器，热管理问题和设计缺陷的风险已成为人们高度关注的问题。逆变器是光伏系统的核心，对于将太阳能组件直流电转换为可用交流电至关重要。
了解逆变器可能出现的问题并选择正确的设备，对于提高太阳能光伏系统的效率和安全性至关重要。正确的热管理、对行业标准的遵守以及对设计细节的关注可以防止电气故障和热失控造成的严重后果。
绝缘栅双极晶体管系统
在最近的一个案例中，问题始于逆变器。绝缘栅双极晶体管(IGBT)是逆变器中的主要开关元件，负责将直流电转换为交流电。IGBT通过一种名为脉宽调制的过程，将太阳能电池阵列输入的直流电转换成不同宽度的脉冲。这一过程包括快速打开和关闭IGBT，产生一系列正负值交替的脉冲。然后，这些脉冲通过滤波器(如电感电容滤波器)使其平滑成连续的正弦波，从而产生交流电。
热管理问题可能始于IGBT结构。在项目设计阶段咨询第三方专家对为光伏系统选择合适的逆变器至关重要。在客户现场的一个案例中，在对热事件进行调查后，CEA发现IGBT组件之间存在隔离不当的问题，没有遵守电路板上适当的间隙和爬电距离。不适当的隔离会导致逆变器内部产生电弧，有可能造成热失控，也就是热量无法散失时引起的不受控连锁反应。热失控会导致过热，严重时会引发火灾。
间隙和爬电距离
间隙和爬电距离是指导电部件之间的距离，如电路板或电气端子上的迹线。间隙是两个导电点之间从A点到B点穿过空气的最短直接路径。相反，爬电距离是两个导电部件之间沿着绝缘材料表面的最短路径。
为增加爬电距离，可将路径设置为沿着电路板上的凹槽，从一侧向下，穿过底部，再从另一侧向上。有特定的规范和标准规定了所需的间隙和爬电距离，以确保安全和防止电弧。
逆变器的间隙和爬电距离由保险商实验室标准(如UL 1741和UL 840)规定。美国国家电气规范第690条对光伏系统进行了规定，要求遵守UL 1741和UL 840。
图1.遵守适当的间隙和爬电距离有助于防止逆变器内产生电弧。
所需间隙和爬电距离受电压、污染程度和环境条件等因素的影响。高电位(HIPOT)测试用于质量保证过程，用于确认高电压不会导致两点之间的电气击穿。高电位(HIPOT)测试通过施加高电压并检查绝缘故障或电弧，有助于确保元件的绝缘完整性。该测试可验证绝缘层的击穿电压能力。水分和污染物会影响击穿电压。
在CEA支持的根本原因分析中，内部架构问题在某些情况下非常明显。设计变更没有进行必要的HIPOT测试。
由于制造商们都在努力缩小逆变器的占地面积，因此间隙和爬电距离有时变得更加严格。这导致内部布局紧凑，逆变器内的组件彼此非常靠近，增加了端子处和印刷电路板沿着电路路径的电弧和电气击穿风险。第三方专家可以在项目仍处于设计阶段时，帮助选择正确的设备。
逆变器污染等级评定
设备外壳的污染等级描述了导电或不导电材料的污染程度，这些材料会影响电气绝缘性能和安全性。污染等级分为从无污染(1级)到持续导电污染(4级)的四个等级。
需要通过这种分类来确定所需的间隙和爬电距离，污染程度越高，需要的距离就越大，以防止电弧和电气击穿。设备制造商必须确保逆变器具有坚固的绝缘并进行严格的测试，以保证在特定条件下的安全运行。
逆变器制造商可能会将污染等级定为2级，这样就可以减小逆变器柜的尺寸。如果是大型逆变器机柜(如集中式逆变器)，其污染等级可能为3或4级，与小型逆变器机柜相比，其防潮和防碎屑能力较弱。每个组件之间的距离会更大，因此机柜也会更大。
在更小的占地面积内实现更高的输出功率，会促使逆变器设计人员缩短IGBT中多个元件之间的距离。这可能会无意中导致标准的错误应用，从而可能带来性能和安全问题。
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案例研究：根本原因分析
CEA最近代表光伏系统主机对多个地点的热事件进行了根本原因分析。在多个地点，逆变器都出现了类似的故障，热事件源于逆变器内的同一位置。为了确定热事件的根本原因，我们在场外对这些故障设备进行了全面分析。对每台设备都进行了仔细检查，以确定故障的起始点和热事件的原因。
CEA确定了所检查设备的共同故障模式。这些故障发生在逆变器的出厂密封动力头内。这种故障模式的热事件源于逆变器内部，并向直流源(阵列)移动。这种故障的起因可能是进水、组件故障产生的导电灰尘或工艺问题(如导体扭矩不足)。
根据逆变器拆卸结果以及对由此造成的损坏和故障位置的分析，CEA确定，相关区域对任何程度的污染或制造缺陷都特别敏感。在逆变器内部，来自接线盒的直流输入被组合起来，并进入电源头，将总线输入连接到逆变器。这条母线似乎异常紧密，缺乏适当的绝缘。
结论
为了保证光伏系统的可靠性和性能，在太阳能设备的选择、设计和安装的每一个环节都必须将安全和质量放在首位。遵守适用的行业标准对于维护安装的安全性和完整性至关重要，同时还能防范因设计不当和测试不充分而带来的各种风险。
虽然逆变器体积更小、效率更高的趋势是有益的，但安全问题也不容忽视。应仔细考虑污染等级，确保逆变器能够经受环境挑战而不出现故障。按照制造商的指导进行正确的处理、储存和精确的安装，对于防止出现可能危及整个系统的电气问题至关重要。
过去几年中出现的其他关键问题包括快速关断装置和设备配套问题。CEA已支持了多项调查，这些调查针对的是可能由于违反制造商的快速停机系统安装准则而产生的故障，如果在设计和建造系统时进行仔细的评估和检查，这些故障是可以避免的。
设备选择中的尽职调查是另一个关键因素。捆绑销售第三方设备的制造商往往缺乏足够的尽职调查。CEA发现，2023年发生的多起火灾可能是由逆变器制造商捆绑销售的第三方设备引起的。太阳能开发商必须避免落入在未经彻底审查的情况下集成第三方组件的陷阱，因为这可能导致重大的系统故障。
归根结底，成功安装太阳能设备的基础在于全面的方法，包括精心的设计、严格遵守安全标准、高质量的工艺和严谨的设备选择。通过遵循这些原则，太阳能开发商可以确保打造经得起时间考验的，高效、安全、可靠的太阳能发电系统。
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