基于感温电缆光伏电站火灾预警方法研究

■ 王哲 刘莉敏 刘璇璇 林燕梅

(1.北京科诺伟业科技股份有限公司; 2.北京鉴衡认证中心)

0 引言

近年来随着光伏产业的迅猛发展，越来越多的问题也暴露在人们面前，其中光伏发电系统的火灾问题，特别是与建筑结合的光伏发电系统的火灾，可能造成人身、财产的巨大损失，尤其应引起业内重视。图1为光伏电站燃烧后的近景(图1a)及某屋顶光伏电站的光伏组件发生燃烧时的全景(图1b)，燃烧现场惨不忍睹。

图1 光伏组件燃烧现场

为了减少火灾事故的发生，一方面应提高产品质量，另一方面应增加预防措施。经统计，光伏发电系统的起火点一般发生于逆变器、光伏组件、电缆和汇流箱。图2是在德国召开的第九届光伏防火安全研讨会上德国联邦环境部及自然保护和核安全(BMU)组织提供的光伏发电系统火灾起因各部件比例直方图[1]。该图显示逆变器所占的比例最高，但其安装地相对集中，较易监控。因此，光伏发电系统火灾监测的难点在于大面积或分散安装的光伏组件、电缆、汇流箱的着火点监控。

图2 光伏发电系统火灾起因各部件比例直方图

目前，国内外已有少数业主采用有人值守视频监控和专业火灾报警方式。对于大面积光伏组串，由于成本限制仅采用视频监控，往往都是火势起来后才能监测到，很难做到着火点早期发现并及时处理。而专业火灾报警可做到着火点早期预警，但投入成本高，应用较少。本文提出利用感温电缆与汇流箱结合，实现火灾预警、报警功能的两种方法，可克服现有专业火灾报警系统成本高、人工视频监控无法做到早期预警的问题。

1 感温电缆监测原理

感温电缆又名线型感温火灾探测器，具有沿全线长连续监测保护对象温度的能力，保护面积大、定位准确、适应环境性强、安装布线简单，非常适合光伏组件、电缆、汇流箱的监测。感温电缆一般分为68 ℃、88 ℃、105 ℃、138 ℃、180 ℃5个级别。在电站应用中感温电缆与光伏组件和汇流箱连接电缆同步并行铺设，依据不同的场合可选用不同额定动作温度的感温电缆。

感温电缆由两根用热敏材料绝缘的丝组成, 其探测原理是：当光伏组件、电缆和汇流箱温度升高到一定值时，热敏材料感应温度使电阻降低，可利用汇流箱监控模块对这种电阻值变化进行监测。

感温电缆的温度范围选择要根据铺设地的实际情况综合考虑。例如山东即墨某光伏电站，2012年实测数据表明组件全年最高温度不超过50 ℃，图3给出了2012年7月22日－8月1日这段时间内的温度曲线。根据易燃材料电缆皮的主要成分及可燃点，汇流箱温度全年都在60 ℃以下，所以选择88 ℃等级的感温电缆实现火灾预测报警。对于其他地方，可利用类似方法依据当地环境因素合理选择感温电缆。

图3 山东即墨光伏电站环境与组件温度曲线

2 利用汇流箱与电站监控系统进行火灾预警的方法

2.1 火灾预警智能汇流箱与系统之间连接关系

火灾预警智能汇流箱与系统之间连接关系如图4所示。图中通过点划线突出表示感温电缆与电力电缆并行铺设到汇流箱内，经汇流箱监测后由通讯电缆上传到电站监控系统。

图4 火灾预警智能汇流箱与光伏系统之间连接关系框图

2.2 监测原理

火灾预警智能汇流箱与系统关系原理图如图5所示。其中， A虚线为分隔线，右侧为智能汇流箱，左侧为光伏阵列；B虚线框内为组件汇流单元；C框为监测单元；D为LED汇流箱表面灯光报警指示；E为光伏阵列及光伏阵列与汇流箱连接电缆；F为感温电缆；G为感温电缆在汇流箱内关键点铺设。

图5 火灾预警智能汇流箱与系统关系原理图

分别将感温电缆1到感温电缆n一端通过I/O接线端子与“监控单元”I/O对应连接，如图6所示。

图6 利用汇流箱与光伏电站监控系统进行火灾预警的原理图

同样汇流箱内G感温电缆在汇流箱内关键点(接线端子、熔丝、避雷器、断路器、母排等)铺设并与“监控单元”I/O对应连接。

正常时监控单元I/O口为高电平即I1电平为Vcc，当光伏阵列、光伏阵列与汇流箱连接电缆和汇流箱某一部分温度升高到一定值时，热敏材料感应温度使电阻降低，如感温电缆a与b点阻值降低或短路，此时由于感温电缆b点经限流电阻R3接-Vcc，所以短路前a点电压近似-Vcc，而I1电压为Vcc与-Vcc在R1、R2、R3上的分压为0 V低电平，I/O口低电平被中断，经监控单元软件处理识别，分别启动汇流箱表面LED灯光闪烁告警，同时利用智能汇流箱通讯，同步向电站监控管理系统实时发送报警信息。I/O感温电缆的多少取决于汇流箱接入光伏阵列数量。

电站监控管理系统接收报警信息，解析信息数据，可快速在电站监控管理系统终端界面显示并定位发热部件位置，声光报警同步启动。

集电池组件汇流、电参数监测、火灾预警及数据通讯于一体，不仅保证原有功能又达到火灾预警的目的，实现具有火灾预警功能的智能汇流箱。监测界面示例如图7所示。

图7 监测界面示例图

3 利用汇流箱和视频服务器联动进行火灾预警的方法

许多电站为了防范火灾发生，一般都安装网络视频监控系统(见图8)，当起火点被发现时，事故已发生，如若救助不及时则会造成人员财产重大的损失。为此本文提出一种利用汇流箱监测感温电缆，汇流箱输出与视频服务器联动进行火灾预警、报警的方法，实现视频监控终端快速视频定位，并声光报警。

图8 网络视频监控系统

3.1 汇流箱和视频服务器联动进行火灾预警、报警与系统之间连接关系

汇流箱和视频服务器联动进行火灾预警、报警与系统之间连接关系如图9所示。

图9 汇流箱和视频服务器联动进行火灾预警与光伏系统之间连接关系图

3.2 监控原理说明

监控原理如图10所示。其中，S为视频联动信号；Q为汇流箱通、断信号。

图10 利用汇流箱和视频服务器联动进行火灾预警的原理图

当监控单元监测到I/O状态改变时，此时监控单元启动S视频联动信号，控制视频服务器报警输入端Alarm In，视频服务器检测到Alarm In报警信号并利用与视频监控终端通讯发出报警信息，此报警信息被视频监控终端解析后视频终端图像快速切换到报警现场图像，同时发出声光报警信号，监控终端人员通过报警视频现场LED灯光闪烁报警快速定位。

4 结论

该文提出了一种基于感温电缆和汇流箱智能监控模块的火灾预警系统，选用热敏绝缘材料熔点高于光伏组件最高温度，低于电缆皮的最低燃点的感温电缆，可在火灾形成之前进行预警、报警。通过实时监控汇流箱的每组输入阵列，达到电站监控系统终端快速定位告警阵列回路(组件、电缆)的目的。

该方法在智能汇流箱上实现，监测部分不需增加硬件成本，只在软、硬件上略有改动，便可在实现汇流的同时完成火灾预警、报警的目的。与专业火灾监控系统相比，取代了专业成本高的监控单元及火灾监控中心或上位机等，在相同数量的感温电缆情况下，成本大大降低，并达到专业火灾监测目的，施工简单具有很强的操作性及实用性。

电站监控系统与视频服务器两种监控方法结合应用效果更好。

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