中國儲能網(wǎng)訊：2023年，我國儲能市場的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到36GW/75GWh，伴隨電力系統(tǒng)中儲能裝機(jī)規(guī)模的加速增長，保障儲能安全穩(wěn)定運(yùn)行，成為重中之重。2023年底，國家市場監(jiān)督管理總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會集中發(fā)布了12項(xiàng)電力儲能推薦國標(biāo)，從系統(tǒng)到變流器、電池管理系統(tǒng)、電池均進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。在提升各環(huán)節(jié)的性能要求的同時(shí)，更進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了全面提升電站安全性的重要性。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，全球已發(fā)生68起儲能火災(zāi)事故，事故分析顯示，過熱、老化、故障、漏液、端子接觸不良等一系列的問題均有可能導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生。而如何在事故走向起火等不可控階段之前，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出相應(yīng)保護(hù)動作，是確保儲能系統(tǒng)使用安全的重要一環(huán)。
這其中，配置直流電弧保護(hù)裝置，精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)異常，避免儲能系統(tǒng)因短路、過負(fù)荷、接觸不良等電氣線路問題引發(fā)電路故障性火災(zāi)，是有效手段之一。
GB/T 42288-2022《電化學(xué)儲能電站安全規(guī)程》中條款5.2.1指出：電池陣列應(yīng)具有在短路、起火或其他緊急情況下迅速斷開直流回路的措施，宜配置直流電弧保護(hù)裝置。顯然，防止拉弧導(dǎo)致火災(zāi)，已經(jīng)成為確保電站安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)手段之一，拉弧檢測及關(guān)斷功能正以“標(biāo)準(zhǔn)”形式約束行業(yè)。
拉弧現(xiàn)象確可造成巨大的危害，需引起行業(yè)的重視。
什么是拉弧
電?。ɑ蚍Q為拉?。┦强諝怆婋x放電的一種形式，一般持續(xù)時(shí)間不足1s，但其弧柱核心溫度可達(dá)20,000℃，有極高的輻射能，具有爆炸性。電力系統(tǒng)發(fā)生短路、帶負(fù)荷拉閘等都會發(fā)生拉弧。
拉弧現(xiàn)象所呈現(xiàn)的是一團(tuán)亮度極高、溫度極高的火花，為電流通過某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）所產(chǎn)生的瞬間火花。根據(jù)NFPA美國國家消防協(xié)會和IEEE電子電氣工程師協(xié)會數(shù)據(jù)，美國平均每天發(fā)生5-10起拉弧事故（2018年）。
圖：拉弧故障（來源：EHS資源共享）
拉弧現(xiàn)象多由于電氣設(shè)備故障引起，常發(fā)生在電氣設(shè)備連接處與開關(guān)位置。尤其是變電站、工業(yè)制造、大型儲能系統(tǒng)直流側(cè)等高電壓和大電流的設(shè)備中。
按照電弧發(fā)生，可將電弧分為串聯(lián)電弧、并聯(lián)電弧于接地電弧，其中接地電弧可視為一種特殊的并聯(lián)電弧。
并聯(lián)電?。阂话惆l(fā)生在帶電導(dǎo)體之間。近距離正負(fù)極的絕緣失效、正負(fù)極松脫搭接，導(dǎo)線絕緣層的損壞等容易導(dǎo)致并聯(lián)電弧產(chǎn)生。并聯(lián)電?。ê瑢Φ仉娀。┪：^大。目前可以通過配置熔絲及斷路器斷開直流回路的方法來防治。
串聯(lián)電?。阂话惆l(fā)生在單一帶電導(dǎo)體中。相對來講，串聯(lián)電弧發(fā)生的可能性和頻次高，但是由于串聯(lián)電弧比并聯(lián)電弧能量低，信號不明顯，加之噪聲干擾等原因檢測困難。如果沒有及時(shí)檢測到串聯(lián)電弧的發(fā)生并切斷能量來源，熱量隨著時(shí)間積累極易引發(fā)火災(zāi)。
儲能系統(tǒng)中為什么會出現(xiàn)拉弧
儲能系統(tǒng)直流側(cè)拉弧故障存在較大的發(fā)生概率。對于儲能系統(tǒng)來說，電池直流側(cè)接線端子非常多，100MWh的儲能電站直流側(cè)擁有超過11萬個(gè)接頭，且多為串聯(lián)方式連接，很難保證所有接線端子品質(zhì)優(yōu)良、對插良好，且隨著電站的使用，接線端子也會存在老化問題，增加了儲能電站發(fā)生拉弧故障可能性。
設(shè)計(jì)缺陷、系統(tǒng)兼容性差、安裝與維護(hù)不當(dāng)、設(shè)備老化與磨損、過載與短路、外界環(huán)境變化等原因均容易導(dǎo)致電池連接不牢靠、松脫、接觸不良、接線斷裂、絕緣材料老化/碳化、接頭受潮/腐蝕、絕緣材料破損等，從而導(dǎo)致拉弧現(xiàn)象的發(fā)生。
交流電?。杭唇涣麟姰a(chǎn)生的電弧。交流電的大小、方向一直隨時(shí)間進(jìn)行周期性變化，在坐標(biāo)軸中，呈現(xiàn)正弦變化。電流是0的時(shí)刻，稱為電流過零點(diǎn)。在電弧電流過零點(diǎn)時(shí)會熄滅，之后重燃。電弧的產(chǎn)生存在間歇性。
電流是0的時(shí)刻，稱為電流過零點(diǎn)。
圖：交流電流過零點(diǎn)示意圖
直流電弧：即直流電產(chǎn)生的電弧。直流電屬于恒電流，是大小和方向不隨時(shí)間變化的電流。直流電弧沒有過零點(diǎn)，即電弧不會中途消失。一旦電弧產(chǎn)生，只要滿足一定的條件，電弧就會持續(xù)存在。
與交流電弧不同，直流側(cè)產(chǎn)生的直流電弧更難進(jìn)行滅弧。
由于直流電弧沒有過零點(diǎn)，持續(xù)不斷地電流可一直為電弧的產(chǎn)生提供能量，電弧不是間歇而是一直存在，更難熄滅，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)極易引發(fā)電池、線纜等易燃物發(fā)生火災(zāi)。這也是電力系統(tǒng)中對直流母線的絕緣性能要求較交流側(cè)要更高的原因。
拉弧對儲能系統(tǒng)的危害
拉弧發(fā)生時(shí)弧心溫度高達(dá)20,000℃，控制不好將造成嚴(yán)重后果。例如，高溫將導(dǎo)致事故點(diǎn)周圍金屬氣化，體積迅速膨脹至萬倍，并帶來設(shè)備起火、爆炸，釋放出有毒氣體和沖擊波等后果。程度輕微的也會造成周遭的絕緣物質(zhì)分解或碳化而失去功效，進(jìn)行影響設(shè)備的正常使用。
在儲能電站中，拉弧故障產(chǎn)生的高溫如導(dǎo)致電站內(nèi)的易燃材料起火，將引發(fā)火災(zāi)，并有可能進(jìn)一步造成以下危害：
火災(zāi)與爆炸：火災(zāi)如果涉及到電池等儲能元件，還可能導(dǎo)致熱失控，進(jìn)而引發(fā)爆炸，造成巨大的破壞。
人員傷害：火災(zāi)或爆炸可能對在場的工作人員造成嚴(yán)重傷害，包括燒傷、吸入有毒氣體或由于爆炸造成的飛行物體撞擊傷害。
設(shè)備損壞：拉弧在產(chǎn)生高溫的同時(shí)還可能導(dǎo)致電壓和電流的異常，對電池和其他電氣設(shè)備構(gòu)成威脅，導(dǎo)致設(shè)備損壞，影響電站的運(yùn)行效率和壽命。在嚴(yán)重情況下，可能需要更換大量受損設(shè)備，增加運(yùn)營成本。
影響系統(tǒng)穩(wěn)定性與供電可靠性：對于連接到電網(wǎng)的儲能電站，拉弧故障可能導(dǎo)致電站輸出功率突然下降，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性和供電可靠性，特別是在電力需求高峰期間。
經(jīng)濟(jì)損失：拉弧故障導(dǎo)致的設(shè)備損壞、生產(chǎn)中斷和事故處理等，均會引起顯著的經(jīng)濟(jì)損失。此外，事故后的修復(fù)工作、法律責(zé)任和保險(xiǎn)索賠等也可能增加額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
如何預(yù)防
拉弧的發(fā)生是可以被檢測并及時(shí)關(guān)斷的。
拉弧故障發(fā)生時(shí)電路的電流、電壓、溫度、電流諧波、頻譜等關(guān)鍵參數(shù)會發(fā)生變化，若能將這些變化準(zhǔn)確檢測到并及時(shí)下達(dá)關(guān)斷指令，電弧故障可以在早期被消滅，避免發(fā)生更大危害。
該功能可以通過儲能變流器（以下簡稱“PCS”）實(shí)現(xiàn)。將類似于"大腦"的芯片集成到PCS中，電池包之間的連接處、電池包與PCS的連接處設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置，一旦“大腦”檢測到采集的數(shù)據(jù)異常，判斷出存在拉弧風(fēng)險(xiǎn)，“大腦”則可立即下達(dá)滅弧指令，關(guān)斷相關(guān)設(shè)備，防止拉弧的產(chǎn)生。
目前市面上主要有兩種電弧檢測方式，一種是利用電弧的弧光、發(fā)熱和嗓聲等物理特性與電磁輻射現(xiàn)象來進(jìn)行電弧檢測，這種方法可檢測的空間范圍較小，尤其是電池艙內(nèi)部器件多，易被遮擋，會降低電弧檢測的效果；另一種是利用電弧發(fā)生時(shí)電弧電流或電源電壓在頻域中的變化來檢測電弧，相對第一種檢測的準(zhǔn)確率更高。
選擇帶有拉弧識別及關(guān)斷功能的產(chǎn)品，不論是對于儲能行業(yè)還是整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性都有較大實(shí)際意義。希望GB/T 42288-2022的這一條規(guī)定引起行業(yè)關(guān)注，設(shè)備商們從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)之初將拉弧這一高發(fā)電氣故障給予充分重視，進(jìn)而減少此類事故的發(fā)張，助力電力系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
