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如何防範太陽能系統火災

隨著太陽能安裝量的快速提昇,太陽能系統火災的案例也開始增加。究竟太陽能系統會不會造成火災?簡單的答案是「有可能,但是也不容易」。從設計、用料到施工、維運,有很多程序可以避免造成火災,因此發生火災需要大部分程序都出錯才有機會。不過話說回來,早年的系統因為設計、施工的知識與經驗不足,先天不良後天失調的系統不少,所以火災的案例也不少。隨著媒體揭露事故越來越多,民眾對太陽能的疑慮也會增加。因此非常需要大家一起關注這個議題,及早把現有系統裡的問題抓出來,才能維持大眾對太陽能的信心。

在開始進入正題之前,還有一點要特別說明,系統本身燒壞跟造成火災是兩個不同層次的問題。太陽能系統裡有大量的電能運行,一旦有問題很容易發熱導致部份元件燒毀,但是大部分元件都是耐燃材質,像模組就要通過防火測試、耐燃測試,即使局部高溫燒壞也只侷限在很小範圍,不會整個著火。因此造成房子火災需要特定的條件,首先必須附近有易燃材質,剛好又接觸到高溫燒毀的材料或電弧,才會造成房屋火災。因此先強調,以下舉出的各種系統發熱或燒壞的故障問題,未必都會造成火災,需要發熱夠嚴重且接觸到易燃物才會演變成火災。

造成太陽能系統火災的原因首推「電弧」,當系統發生電線破皮、模組破皮、接頭老化漏電等故障時,帶著高壓的導體就裸露在空氣中。如果附近有金屬或另一個破皮元件(不同電位),兩者之間就會拉出一道電弧。圖1就是兩個漏電的接頭互相靠近時發生電弧,附近如果有易燃物,就會被電弧引燃,造成火災。大家印象深刻的自來水廠屋頂失火,就是因為屋頂為易燃材質,碰到接頭接觸不良過熱而著火。



圖1 漏電的接頭間發生電弧(照片來源:吳禮強)

造成電弧的原因很多,電線與模組破皮可能是施工過程割傷的,也可能是系統完成之後出現的,例如電線掛在銳利支架邊角上,經常晃動摩擦導致破皮。另外一個常見的原因是老鼠或動物啃咬。這種漏電不僅有發生電弧的風險,也會造成人員電擊的風險,雨後或露水潮濕導致漏電傳到鐵皮上,再透過與鐵皮連接的金屬(例如樑柱),人員不上屋頂在屋內就有被電擊的風險。

漏電可以透過逆變器的漏電偵測發現,一般逆變器偵測到漏電就會停止運作(但要注意DC端漏電仍然存在,須立即檢修)。不過如果環境乾燥而沒有漏電流,逆變器偵測不到漏電缺陷,可能會忽略漏電問題存在。因此如果發現系統平時正常,下雨天或潮濕時經常跳電,很可能有漏電發生,維運人員應檢修系統漏電位置後才能再啟動逆變器。

但實務上我們在做系統檢測時,常見到偵測漏電的地線沒有接入逆變器。維運人員的說法是因為逆變器經常跳機,而漏電位置又不容易找到或很難修復,所以維運人員就把地線剪掉,讓逆變器在系統漏電時仍然繼續運作。這是非常危險的行為!不但增加人員電擊的危險,漏電時也會引發電弧造成火災的風險,維運人員千萬不可便宜行事。

除了破皮造成電弧風險,還有很多複合的因素引發電弧或增加火災的風險,以下我們來看一些主要造成火災與元件燒毀的原因。2018年德國萊因與Fraunhofer ISE共同出了一份太陽能系統火災風險評估報告[1],裡面對德國發生火災或燒毀的太陽能系統做了一些統計與分析。圖2是故障原因分佈,這裡統計了103個案例,其中大部份是安裝過失(39件)與產品瑕疵(36件)。圖中斜線陰影部份是使用鋁芯電線的案子,歸類為安裝過失或設計過失。因為鋁芯線比較便宜,所以很多人用來取代銅線降低成本,但是鋁的熔點比銅低,當壓接或接觸不良而造成高溫時,鋁芯比較快熔融而造成更大的風險(如圖3)。

圖2 故障原因分佈[1]


圖3 熔融的鋁芯[1]

圖4統計174個因火災而元件受損案例的元件位置,可以發現DC端的損壞最多,但是AC端的故障率也意外的高。雖然看數字是低於DC端元件,但是AC端元件數量比DC端少很多(大約1/10的程度),而且AC的技術人員通常受過比較嚴謹的訓練,這麼高的故障率讓人意外。另外特別說明,這裡所列的是燒毀受損的元件,但受損元件未必就是火災的原因。圖5做了更細的統計,受損元件大部分集中在模組與逆變器,DC接頭和壓接頭(crimping)合起來的數量僅次於模組損傷,也是重要問題。AC部份最多的是AC端子,大部份是人為安裝失誤。


圖4 元件損壞位置[1]


圖5 元件損壞統計[1]


圖6 系統故障時之壽命[1]

圖6統計99個系統在故障時的壽命,可以發現大部份發生在前五年,尤其最多一開始就發生問題,這些主要是由安裝、設計錯誤造成,以及元件的先天缺陷,特別是逆變器。以下幫大家整理了報告裡提到的重要缺陷問題與案例:

DC接頭

常見的問題如下:

  • 壓接不良
  • 對插不到位(沒有完全插入)
  • 接頭組裝不良
  • 不同廠家接頭互接

以上幾個缺陷最根本的問題都是接觸不良,導致電阻過高而發熱,最終燒壞元件。

DC開關

常見的問題如下:

  • 元件不良
  • 過載
  • 環境溫度過高
  • 未定期保養清潔

其中環境溫度過高是常見的問題,多半屬於設計問題,可能安裝過於緊密,或設置的機房溫度過高。圖7就是一個環境過熱的案例,逆變器排列太緊密,DC主開關又緊貼逆變器,機房屋頂沒有隔熱,夏天室內氣溫超過40℃,再加上逆變器發熱,最後導致開關過熱燒毀。圖8是同一個案例中沒有燒壞的開關,拆解後發現裡面已經有過熱的痕跡,即使還沒燒毀也相距不遠了。定期保養也很重要,因為開關不常使用,久了導體表面可能會有氧化,導致電阻過高而發熱。因此開關必須要定期保養,也要定期切換開關移除接觸點表面的氧化層。


圖7 室內高溫導致設備燒毀[1]


圖8 未燒壞的開關內已有過熱跡象[1]

模組處理不當

  • 搬運時拖拉電纜線
  • 搬運損傷
  • 來料不良

有案例顯示安裝者在搬運時拖拉電纜線(方便搬運),結果第二年發電明顯下降,並且在多個模組中發現電纜線鬆脫,導致電阻過大而發熱燒毀(圖9)。


圖9 接線盒纜線鬆脫[1]

模組裡面的電池片隱裂也會造成模組內的電弧,導致背板燒穿。不是所有隱裂都會造成燒穿,只有在特定情況下才會發生。TUV做了一個實驗,把模組內的部份串聯電路切斷,讓電流必須跨越一道隱裂才能流出模組,圖10左邊就是這個模組的EL照片,比較暗的區域就是電路被切斷使電流無法通過,電流必須集中到另一半的cell通過(所以另一半比較亮)。右下角有一個cell裡面有一道隱裂橫跨整個cell,因為電流必須穿過這條隱裂才能輸出,導致電弧跨越隱裂,電弧的高溫把背板燒穿。所幸模組材料都是耐燃的,所以不會起火燃燒。但是如果下方有金屬支架靠近模組背面,就會產生外部的電弧,進一步引燃附近的易燃物。另外模組脫層導致漏電,也會有類似的後果。


圖10 隱裂造成模組內的電弧[1]

連接鬆脫

  • 電纜壓接鬆脫
  • 螺絲鬆脫

壓接應該要緊密使電阻降到最低,圖11顯示壓接好與不好的差異。前述鬆脫的鋁芯纜線熔融就是壓接不確實造成的問題。另外,對於使用螺絲固定的連接方式,螺絲鎖固不緊也會造成電阻過高而發熱。


圖11 壓接好壞比較[1]

纜線緊束

電流通過纜線時會發熱,如果多條纜線束在一起會導致內部的纜線無法散熱,纜線外皮材料高溫導致絕緣能力喪失或破皮,最後導致短路燒毀,圖12就是一個纜線燒毀的案例。為了避免發生漏電與電弧,施工與選材應盡量避免造成破皮與老化破裂,電線都要包覆在線槽內,以免動物啃咬,也要避免陽光直射以免加速材料老化。另外,把正負極分開也有助於減少傷害,當電線外皮受損時,比較不會產生電弧而燒毀。


圖12 捆束的電線燒毀[1]

結論

造成火災的因素太多太廣,從設計、選材、到安裝、維運都有地雷,系統安裝者必須盡可能注意所有細節。在系統驗收與維運定期測試時,建議如下:

  • 進行IEC62446-1的測試,可以檢測出大部分的問題。包括接地連續性、絕緣測試、濕絕緣測試等。
  • 在模組安裝完成後抽測EL,確認模組內沒有大量隱裂。不過只在安裝後測試,無法確認隱裂是模組本身就有或安裝過程造成,因此最好在模組上架安裝前再做一個抽測,以便釐清責任。關於EL檢測詳見ELEL檢測介紹
  • 系統併網後進行IR檢測,可找出系統的局部發熱點,及早排除故障問題。詳見太陽能電站IR熱影像空拍

最後再給大家一個很棒的FMEA (Failure Mode and Effects Analysis)分析結果。FMEA分析是針對每一種失效模式分析其發生機率、影響的嚴重度、以及檢測的可能性,最後把三個因子相乘,得到風險優先值(risk priority number, RPN)。RPN數值越高的,就是越需要積極管控的問題。

圖13列出RPN超過150的21個項目,其中前十名如下:

第一名 DC接頭混插
第二名 電池焊接
第三名 DC接頭壓接
第四名 DC鋁芯電纜線
第五名 DC保險絲設計
第六名 AC鋁芯電纜線
第七名 模組接線盒內焊接點
第八名 DC螺絲沒鎖緊
第九名 DC開關設計/老化
第十名 螺絲鎖固DC端子設計


圖13 FMEA分析結果RPN較高的項目[1]



最後希望大家一起來提昇電站的安全性,歡迎提供您實際遇過的過熱或失火案例,讓大家一起避免發生相同的錯誤。

參考文獻
[1] Assessing Fire Risks in Photovoltaic Systems and Developing Safety Concepts for Risk Minimization, TÜV Rheinland Energie und Umwelt GmbH, Fraunhofer - Institut für Solare Energiesysteme (ISE), June 2018.



關於作者:

林敬傑博士,業界朋友們暱稱為「傑博」
2004年在工業技術研究院從事太陽能模組研發
2005年與德國萊因技術合作,在臺灣建立亞洲第一個太陽能檢測認證實驗室
2007年擔任德資企業a2pak Power茂暘能源技術長
2011年成立顧問公司PV Guider,提供專業諮詢與電站品質管控等服務

目前擔任:

PV Guider首席顧問
CNS國家標準審議委員
工研院量測中心顧問
IEA國際能源總署Task 13太陽能可靠度工作組技術專家
SEMI產業標準工作小組召集人
Solar United國際太陽能產業聯盟工作小組技術專家
華聚基金會兩岸共通標準技術專家