如何防範太陽能系統火災

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：

l 壓接不良

l 對插不到位（沒有完全插入）

l 接頭組裝不良

l 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：

l 元件不良

l 過載

l 環境溫度過高

l 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

l 搬運時拖拉電纜線

l 搬運損傷

l 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

l 電纜壓接鬆脫

l 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：

l 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。

l 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EL檢測介紹。

l 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。

相關連結

太陽光電系統火災對消防員的風險

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