隨著太陽(yáng)能安裝量的快速提昇，太陽(yáng)能系統(tǒng)火災(zāi)的案例也開始增加。究竟太陽(yáng)能系統(tǒng)會(huì)不會(huì)造成火災(zāi)？簡(jiǎn)單的答案是「有可能，但是也不容易」。從設(shè)計(jì)、用料到施工、維運(yùn)，有很多程序可以避免造成火災(zāi)，因此發(fā)生火災(zāi)需要大部分程序都出錯(cuò)才有機(jī)會(huì)。不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，早年的系統(tǒng)因?yàn)樵O(shè)計(jì)、施工的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)不足，先天不良後天失調(diào)的系統(tǒng)不少，所以火災(zāi)的案例也不少。隨著媒體揭露事故越來(lái)越多，民眾對(duì)太陽(yáng)能的疑慮也會(huì)增加。因此非常需要大家一起關(guān)注這個(gè)議題，及早把現(xiàn)有系統(tǒng)裡的問(wèn)題抓出來(lái)，才能維持大眾對(duì)太陽(yáng)能的信心。

在開始進(jìn)入正題之前，還有一點(diǎn)要特別說(shuō)明，系統(tǒng)本身燒壞跟造成火災(zāi)是兩個(gè)不同層次的問(wèn)題。太陽(yáng)能系統(tǒng)裡有大量的電能運(yùn)行，一旦有問(wèn)題很容易發(fā)熱導(dǎo)致部份元件燒毀，但是大部分元件都是耐燃材質(zhì)，像模組就要通過(guò)防火測(cè)試、耐燃測(cè)試，即使局部高溫?zé)龎囊仓粋I限在很小範(fàn)圍，不會(huì)整個(gè)著火。因此造成房子火災(zāi)需要特定的條件，首先必須附近有易燃材質(zhì)，剛好又接觸到高溫?zé)龤У牟牧匣螂娀?，才?huì)造成房屋火災(zāi)。因此先強(qiáng)調(diào)，以下舉出的各種系統(tǒng)發(fā)熱或燒壞的故障問(wèn)題，未必都會(huì)造成火災(zāi)，需要發(fā)熱夠嚴(yán)重且接觸到易燃物才會(huì)演變成火災(zāi)。

造成太陽(yáng)能系統(tǒng)火災(zāi)的原因首推「電弧」，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電線破皮、模組破皮、接頭老化漏電等故障時(shí)，帶著高壓的導(dǎo)體就裸露在空氣中。如果附近有金屬或另一個(gè)破皮元件（不同電位），兩者之間就會(huì)拉出一道電弧。圖1就是兩個(gè)漏電的接頭互相靠近時(shí)發(fā)生電弧，附近如果有易燃物，就會(huì)被電弧引燃，造成火災(zāi)。大家印象深刻的自來(lái)水廠屋頂失火，就是因?yàn)槲蓓敒橐兹疾馁|(zhì)，碰到接頭接觸不良過(guò)熱而著火。

圖1 漏電的接頭間發(fā)生電?。ㄕ掌瑏?lái)源：吳禮強(qiáng)）

造成電弧的原因很多，電線與模組破皮可能是施工過(guò)程割傷的，也可能是系統(tǒng)完成之後出現(xiàn)的，例如電線掛在銳利支架邊角上，經(jīng)常晃動(dòng)摩擦導(dǎo)致破皮。另外一個(gè)常見(jiàn)的原因是老鼠或動(dòng)物啃咬。這種漏電不僅有發(fā)生電弧的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)造成人員電擊的風(fēng)險(xiǎn)，雨後或露水潮濕導(dǎo)致漏電傳到鐵皮上，再透過(guò)與鐵皮連接的金屬（例如樑柱），人員不上屋頂在屋內(nèi)就有被電擊的風(fēng)險(xiǎn)。

漏電可以透過(guò)逆變器的漏電偵測(cè)發(fā)現(xiàn)，一般逆變器偵測(cè)到漏電就會(huì)停止運(yùn)作（但要注意DC端漏電仍然存在，須立即檢修）。不過(guò)如果環(huán)境乾燥而沒(méi)有漏電流，逆變器偵測(cè)不到漏電缺陷，可能會(huì)忽略漏電問(wèn)題存在。因此如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)平時(shí)正常，下雨天或潮濕時(shí)經(jīng)常跳電，很可能有漏電發(fā)生，維運(yùn)人員應(yīng)檢修系統(tǒng)漏電位置後才能再啟動(dòng)逆變器。

但實(shí)務(wù)上我們?cè)谧鱿到y(tǒng)檢測(cè)時(shí)，常見(jiàn)到偵測(cè)漏電的地線沒(méi)有接入逆變器。維運(yùn)人員的說(shuō)法是因?yàn)槟孀兤鹘?jīng)常跳機(jī)，而漏電位置又不容易找到或很難修復(fù)，所以維運(yùn)人員就把地線剪掉，讓逆變器在系統(tǒng)漏電時(shí)仍然繼續(xù)運(yùn)作。這是非常危險(xiǎn)的行為！不但增加人員電擊的危險(xiǎn)，漏電時(shí)也會(huì)引發(fā)電弧造成火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，維運(yùn)人員千萬(wàn)不可便宜行事。

除了破皮造成電弧風(fēng)險(xiǎn)，還有很多複合的因素引發(fā)電弧或增加火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，以下我們來(lái)看一些主要造成火災(zāi)與元件燒毀的原因。2018年德國(guó)萊因與Fraunhofer ISE共同出了一份太陽(yáng)能系統(tǒng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告[1]，裡面對(duì)德國(guó)發(fā)生火災(zāi)或燒毀的太陽(yáng)能系統(tǒng)做了一些統(tǒng)計(jì)與分析。圖2是故障原因分佈，這裡統(tǒng)計(jì)了103個(gè)案例，其中大部份是安裝過(guò)失（39件）與產(chǎn)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(guò)失或設(shè)計(jì)過(guò)失。因?yàn)殇X芯線比較便宜，所以很多人用來(lái)取代銅線降低成本，但是鋁的熔點(diǎn)比銅低，當(dāng)壓接或接觸不良而造成高溫時(shí)，鋁芯比較快熔融而造成更大的風(fēng)險(xiǎn)（如圖3）。

圖2 故障原因分佈[1]

圖3 熔融的鋁芯[1]

圖4統(tǒng)計(jì)174個(gè)因火災(zāi)而元件受損案例的元件位置，可以發(fā)現(xiàn)DC端的損壞最多，但是AC端的故障率也意外的高。雖然看數(shù)字是低於DC端元件，但是AC端元件數(shù)量比DC端少很多（大約1/10的程度），而且AC的技術(shù)人員通常受過(guò)比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?xùn)練，這麼高的故障率讓人意外。另外特別說(shuō)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(zāi)的原因。圖5做了更細(xì)的統(tǒng)計(jì)，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(lái)的數(shù)量?jī)H次於模組損傷，也是重要問(wèn)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(tǒng)計(jì)[1]

圖6 系統(tǒng)故障時(shí)之壽命[1]

圖6統(tǒng)計(jì)99個(gè)系統(tǒng)在故障時(shí)的壽命，可以發(fā)現(xiàn)大部份發(fā)生在前五年，尤其最多一開始就發(fā)生問(wèn)題，這些主要是由安裝、設(shè)計(jì)錯(cuò)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(bào)告裡提到的重要缺陷問(wèn)題與案例：

DC接頭

常見(jiàn)的問(wèn)題如下：

• 壓接不良
• 對(duì)插不到位（沒(méi)有完全插入）
• 接頭組裝不良
• 不同廠家接頭互接

以上幾個(gè)缺陷最根本的問(wèn)題都是接觸不良，導(dǎo)致電阻過(guò)高而發(fā)熱，最終燒壞元件。

DC開關(guān)

常見(jiàn)的問(wèn)題如下：

• 元件不良
• 過(guò)載
• 環(huán)境溫度過(guò)高
• 未定期保養(yǎng)清潔

其中環(huán)境溫度過(guò)高是常見(jiàn)的問(wèn)題，多半屬於設(shè)計(jì)問(wèn)題，可能安裝過(guò)於緊密，或設(shè)置的機(jī)房溫度過(guò)高。圖7就是一個(gè)環(huán)境過(guò)熱的案例，逆變器排列太緊密，DC主開關(guān)又緊貼逆變器，機(jī)房屋頂沒(méi)有隔熱，夏天室內(nèi)氣溫超過(guò)40℃，再加上逆變器發(fā)熱，最後導(dǎo)致開關(guān)過(guò)熱燒毀。圖8是同一個(gè)案例中沒(méi)有燒壞的開關(guān)，拆解後發(fā)現(xiàn)裡面已經(jīng)有過(guò)熱的痕跡，即使還沒(méi)燒毀也相距不遠(yuǎn)了。定期保養(yǎng)也很重要，因?yàn)殚_關(guān)不常使用，久了導(dǎo)體表面可能會(huì)有氧化，導(dǎo)致電阻過(guò)高而發(fā)熱。因此開關(guān)必須要定期保養(yǎng)，也要定期切換開關(guān)移除接觸點(diǎn)表面的氧化層。

圖7 室內(nèi)高溫導(dǎo)致設(shè)備燒毀[1]

圖8 未燒壞的開關(guān)內(nèi)已有過(guò)熱跡象[1]

模組處理不當(dāng)

• 搬運(yùn)時(shí)拖拉電纜線
• 搬運(yùn)損傷
• 來(lái)料不良

有案例顯示安裝者在搬運(yùn)時(shí)拖拉電纜線（方便搬運(yùn)），結(jié)果第二年發(fā)電明顯下降，並且在多個(gè)模組中發(fā)現(xiàn)電纜線鬆脫，導(dǎo)致電阻過(guò)大而發(fā)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(huì)造成模組內(nèi)的電弧，導(dǎo)致背板燒穿。不是所有隱裂都會(huì)造成燒穿，只有在特定情況下才會(huì)發(fā)生。TUV做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，把模組內(nèi)的部份串聯(lián)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(gè)模組的EL照片，比較暗的區(qū)域就是電路被切斷使電流無(wú)法通過(guò)，電流必須集中到另一半的cell通過(guò)（所以另一半比較亮）。右下角有一個(gè)cell裡面有一道隱裂橫跨整個(gè)cell，因?yàn)殡娏鞅仨毚┻^(guò)這條隱裂才能輸出，導(dǎo)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(huì)起火燃燒。但是如果下方有金屬支架靠近模組背面，就會(huì)產(chǎn)生外部的電弧，進(jìn)一步引燃附近的易燃物。另外模組脫層導(dǎo)致漏電，也會(huì)有類似的後果。

圖10 隱裂造成模組內(nèi)的電弧[1]

連接鬆脫

• 電纜壓接鬆脫
• 螺絲鬆脫

壓接應(yīng)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(shí)造成的問(wèn)題。另外，對(duì)於使用螺絲固定的連接方式，螺絲鎖固不緊也會(huì)造成電阻過(guò)高而發(fā)熱。

圖11 壓接好壞比較[1]

纜線緊束

電流通過(guò)纜線時(shí)會(huì)發(fā)熱，如果多條纜線束在一起會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的纜線無(wú)法散熱，纜線外皮材料高溫導(dǎo)致絕緣能力喪失或破皮，最後導(dǎo)致短路燒毀，圖12就是一個(gè)纜線燒毀的案例。為了避免發(fā)生漏電與電弧，施工與選材應(yīng)盡量避免造成破皮與老化破裂，電線都要包覆在線槽內(nèi)，以免動(dòng)物啃咬，也要避免陽(yáng)光直射以免加速材料老化。另外，把正負(fù)極分開也有助於減少傷害，當(dāng)電線外皮受損時(shí)，比較不會(huì)產(chǎn)生電弧而燒毀。

圖12 捆束的電線燒毀[1]

結(jié)論

造成火災(zāi)的因素太多太廣，從設(shè)計(jì)、選材、到安裝、維運(yùn)都有地雷，系統(tǒng)安裝者必須盡可能注意所有細(xì)節(jié)。在系統(tǒng)驗(yàn)收與維運(yùn)定期測(cè)試時(shí)，建議如下：

• 進(jìn)行IEC62446-1的測(cè)試，可以檢測(cè)出大部分的問(wèn)題。包括接地連續(xù)性、絕緣測(cè)試、濕絕緣測(cè)試等。
• 在模組安裝完成後抽測(cè)EL，確認(rèn)模組內(nèi)沒(méi)有大量隱裂。不過(guò)只在安裝後測(cè)試，無(wú)法確認(rèn)隱裂是模組本身就有或安裝過(guò)程造成，因此最好在模組上架安裝前再做一個(gè)抽測(cè)，以便釐清責(zé)任。關(guān)於EL檢測(cè)詳見(jiàn)ELEL檢測(cè)介紹。
• 系統(tǒng)併網(wǎng)後進(jìn)行IR檢測(cè)，可找出系統(tǒng)的局部發(fā)熱點(diǎn)，及早排除故障問(wèn)題。詳見(jiàn)太陽(yáng)能電站IR熱影像空拍。

最後再給大家一個(gè)很棒的FMEA (Failure Mode and Effects Analysis)分析結(jié)果。FMEA分析是針對(duì)每一種失效模式分析其發(fā)生機(jī)率、影響的嚴(yán)重度、以及檢測(cè)的可能性，最後把三個(gè)因子相乘，得到風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先值(risk priority number, RPN)。RPN數(shù)值越高的，就是越需要積極管控的問(wèn)題。

圖13列出RPN超過(guò)150的21個(gè)項(xiàng)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(xiǎn)絲設(shè)計(jì)
第六名 AC鋁芯電纜線
第七名 模組接線盒內(nèi)焊接點(diǎn)
第八名 DC螺絲沒(méi)鎖緊
第九名 DC開關(guān)設(shè)計(jì)/老化
第十名 螺絲鎖固DC端子設(shè)計(jì)


圖13 FMEA分析結(jié)果RPN較高的項(xiàng)目[1]



最後希望大家一起來(lái)提昇電站的安全性，歡迎提供您實(shí)際遇過(guò)的過(guò)熱或失火案例，讓大家一起避免發(fā)生相同的錯(cuò)誤。

參考文獻(xiàn)
[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(guān)於作者：

林敬傑博士，業(yè)界朋友們暱稱為「?jìng)懿?br /> 2004年在工業(yè)技術(shù)研究院從事太陽(yáng)能模組研發(fā)
2005年與德國(guó)萊因技術(shù)合作，在臺(tái)灣建立亞洲第一個(gè)太陽(yáng)能檢測(cè)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室
2007年擔(dān)任德資企業(yè)a2pak Power茂暘能源技術(shù)長(zhǎng)
2011年成立顧問(wèn)公司PV Guider，提供專業(yè)諮詢與電站品質(zhì)管控等服務(wù)

目前擔(dān)任：

PV Guider首席顧問(wèn)
CNS國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)審議委員
工研院量測(cè)中心顧問(wèn)
IEA國(guó)際能源總署Task 13太陽(yáng)能可靠度工作組技術(shù)專家
SEMI產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工作小組召集人
Solar United國(guó)際太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟工作小組技術(shù)專家
華聚基金會(huì)兩岸共通標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)專家