数字储能网讯：2023年，我国储能市场的累计装机规模已经达到36GW/75GWh，伴随电力系统中储能装机规模的加速增长，保障储能安全稳定运行，成为重中之重。2023年底，国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会集中发布了12项电力储能推荐国标，从系统到变流器、电池管理系统、电池均进行了详细的规定。在提升各环节的性能要求的同时，更进一步强调了全面提升电站安全性的重要性。
据不完全统计，截至目前，全球已发生68起储能火灾事故，事故分析显示，过热、老化、故障、漏液、端子接触不良等一系列的问题均有可能导致火灾事故的发生。而如何在事故走向起火等不可控阶段之前，及时发现并做出相应保护动作，是确保储能系统使用安全的重要一环。
这其中，配置直流电弧保护装置，精准发现异常，避免储能系统因短路、过负荷、接触不良等电气线路问题引发电路故障性火灾，是有效手段之一。
GB/T 42288-2022《电化学储能电站安全规程》中条款5.2.1指出：电池阵列应具有在短路、起火或其他紧急情况下迅速断开直流回路的措施，宜配置直流电弧保护装置。显然，防止拉弧导致火灾，已经成为确保电站安全运行的标准手段之一，拉弧检测及关断功能正以“标准”形式约束行业。
拉弧现象确可造成巨大的危害，需引起行业的重视。
什么是拉弧
电弧（或称为拉弧）是空气电离放电的一种形式，一般持续时间不足1s，但其弧柱核心温度可达20,000℃，有极高的辐射能，具有爆炸性。电力系统发生短路、带负荷拉闸等都会发生拉弧。
拉弧现象所呈现的是一团亮度极高、温度极高的火花，为电流通过某些绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火花。根据NFPA美国国家消防协会和IEEE电子电气工程师协会数据，美国平均每天发生5-10起拉弧事故（2018年）。
图：拉弧故障（来源：EHS资源共享）
拉弧现象多由于电气设备故障引起，常发生在电气设备连接处与开关位置。尤其是变电站、工业制造、大型储能系统直流侧等高电压和大电流的设备中。
按照电弧发生，可将电弧分为串联电弧、并联电弧于接地电弧，其中接地电弧可视为一种特殊的并联电弧。
并联电弧：一般发生在带电导体之间。近距离正负极的绝缘失效、正负极松脱搭接，导线绝缘层的损坏等容易导致并联电弧产生。并联电弧（含对地电弧）危害较大。目前可以通过配置熔丝及断路器断开直流回路的方法来防治。
串联电弧：一般发生在单一带电导体中。相对来讲，串联电弧发生的可能性和频次高，但是由于串联电弧比并联电弧能量低，信号不明显，加之噪声干扰等原因检测困难。如果没有及时检测到串联电弧的发生并切断能量来源，热量随着时间积累极易引发火灾。
储能系统中为什么会出现拉弧
储能系统直流侧拉弧故障存在较大的发生概率。对于储能系统来说，电池直流侧接线端子非常多，100MWh的储能电站直流侧拥有超过11万个接头，且多为串联方式连接，很难保证所有接线端子品质优良、对插良好，且随着电站的使用，接线端子也会存在老化问题，增加了储能电站发生拉弧故障可能性。
设计缺陷、系统兼容性差、安装与维护不当、设备老化与磨损、过载与短路、外界环境变化等原因均容易导致电池连接不牢靠、松脱、接触不良、接线断裂、绝缘材料老化/碳化、接头受潮/腐蚀、绝缘材料破损等，从而导致拉弧现象的发生。
交流电弧：即交流电产生的电弧。交流电的大小、方向一直随时间进行周期性变化，在坐标轴中，呈现正弦变化。电流是0的时刻，称为电流过零点。在电弧电流过零点时会熄灭，之后重燃。电弧的产生存在间歇性。
电流是0的时刻，称为电流过零点。
图：交流电流过零点示意图
直流电弧：即直流电产生的电弧。直流电属于恒电流，是大小和方向不随时间变化的电流。直流电弧没有过零点，即电弧不会中途消失。一旦电弧产生，只要满足一定的条件，电弧就会持续存在。
与交流电弧不同，直流侧产生的直流电弧更难进行灭弧。
由于直流电弧没有过零点，持续不断地电流可一直为电弧的产生提供能量，电弧不是间歇而是一直存在，更难熄灭，如果不能及时发现极易引发电池、线缆等易燃物发生火灾。这也是电力系统中对直流母线的绝缘性能要求较交流侧要更高的原因。
拉弧对储能系统的危害
拉弧发生时弧心温度高达20,000℃，控制不好将造成严重后果。例如，高温将导致事故点周围金属气化，体积迅速膨胀至万倍，并带来设备起火、爆炸，释放出有毒气体和冲击波等后果。程度轻微的也会造成周遭的绝缘物质分解或碳化而失去功效，进行影响设备的正常使用。
在储能电站中，拉弧故障产生的高温如导致电站内的易燃材料起火，将引发火灾，并有可能进一步造成以下危害：
火灾与爆炸：火灾如果涉及到电池等储能元件，还可能导致热失控，进而引发爆炸，造成巨大的破坏。
人员伤害：火灾或爆炸可能对在场的工作人员造成严重伤害，包括烧伤、吸入有毒气体或由于爆炸造成的飞行物体撞击伤害。
设备损坏：拉弧在产生高温的同时还可能导致电压和电流的异常，对电池和其他电气设备构成威胁，导致设备损坏，影响电站的运行效率和寿命。在严重情况下，可能需要更换大量受损设备，增加运营成本。
影响系统稳定性与供电可靠性：对于连接到电网的储能电站，拉弧故障可能导致电站输出功率突然下降，影响电网稳定性和供电可靠性，特别是在电力需求高峰期间。
经济损失：拉弧故障导致的设备损坏、生产中断和事故处理等，均会引起显著的经济损失。此外，事故后的修复工作、法律责任和保险索赔等也可能增加额外的经济负担。
如何预防
拉弧的发生是可以被检测并及时关断的。
拉弧故障发生时电路的电流、电压、温度、电流谐波、频谱等关键参数会发生变化，若能将这些变化准确检测到并及时下达关断指令，电弧故障可以在早期被消灭，避免发生更大危害。
该功能可以通过储能变流器（以下简称“PCS”）实现。将类似于"大脑"的芯片集成到PCS中，电池包之间的连接处、电池包与PCS的连接处设置数据采集装置，一旦“大脑”检测到采集的数据异常，判断出存在拉弧风险，“大脑”则可立即下达灭弧指令，关断相关设备，防止拉弧的产生。
目前市面上主要有两种电弧检测方式，一种是利用电弧的弧光、发热和嗓声等物理特性与电磁辐射现象来进行电弧检测，这种方法可检测的空间范围较小，尤其是电池舱内部器件多，易被遮挡，会降低电弧检测的效果；另一种是利用电弧发生时电弧电流或电源电压在频域中的变化来检测电弧，相对第一种检测的准确率更高。
选择带有拉弧识别及关断功能的产品，不论是对于储能行业还是整个电力系统的安全性都有较大实际意义。希望GB/T 42288-2022的这一条规定引起行业关注，设备商们从产品的设计之初将拉弧这一高发电气故障给予充分重视，进而减少此类事故的发张，助力电力系统更加安全稳定的运行。
