Ondergrondse brand DC-bekabeling Zonnepark – Vlamboog

Algemene beschrijving

Bij de installatie van een zonnepark is bij vergissing een verkeerde connector geplaatst. De 1000 Volt DC-bekabeling ligt ondergronds en daardoor wordt de fout niet opgemerkt. Op den duur degenereert de connector, waardoor er een kabelbreuk ontstaat. Als gevolg hiervan treedt er een vlamboog op en kunnen intense vlammen, aarde, en kleine metaaldeeltjes uit de bodem naar boven spatten.

Vlamboog

Zonnepanelen leveren gelijkstroom (Direct Current), maar de hoeveelheid is niet constant, omdat die afhankelijk is van de hoeveelheid zonlicht die op de zonnepanelen valt. Op zonnige dagen kan zodoende een hoge gelijkstroom door de bekabeling gaan. Bij een defect aan de bekabeling kan de isolerende werking verloren gaan en kortsluiting ontstaan met de omgeving, de bodem bijvoorbeeld, of andere delen van de installatie. Dit leidt tot zeer grote stromen en, als gevolg daarvan veel hitte en vlammen. Dit resulteert in smelten en verbranden van andere delen van de kabel en verbindingen, met rookontwikkeling, hetgeen de kortsluiting verergert. Ook zal de lucht geïoniseerd worden, waardoor deze zijn isolerende eigenschappen verliest en lading “overspringt” tussen twee delen met verschillende potentiaal. Dit veroorzaakt de zichtbare vlam(boog). Hoe groter het spanningsverschil, hoe groter de afstand die kan worden overbrugd. Een vlamboog blijft voortduren zolang er nog spanning op de installatie staat en de panelen energie kunnen blijven leveren.

De vlamboog ontstaat ondergronds en de daaruit ontstane vlammen steken boven de grond uit. Verder zet de lucht en het vocht door sterke temperatuurtoename uit, waardoor aarde en kleine metaaldeeltjes wegspatten. In de initiële fase kunnen kenmerken van een kleine, lokale, fysische explosie (zie ook: A comprehensive review on DC arc faults and their diagnosis methods in photovoltaic systems) ontstaan.

Vlambogen bij gelijkstroom hebben een grotere impact dan bij wisselstroom. Het ontstaan van een vlamboog is daarom een voorkomend probleem bij (grote) zonnepaneelsystemen (zie ook: Arc fault circuit interrupter (AFCI) for PV systems). Op de ondergrondse bekabeling van zonneparken kunnen DC-spanningen tot 1500 V staan en zodoende kunnen hoge stromen door de bekabeling lopen. Aangezien de vrijkomende hitte (temperatuur) kwadratisch toeneemt met de stroom (Wet van Joule), kan de temperatuur bij incidenten hoog oplopen: lokaal tot in orde van grootte van 10.000 ºC. In de gelinkte video wordt het verschijnsel vlamboog gedemonstreerd met een laagspanningskabel (naar schatting rond de 24 V) van een zonnepaneel. De vlamboog bij een hoogspanningskabel (1500 V) zal uiteraard veel groter van omvang zijn.

Een vlamboog kan de volgende effecten hebben:

• Lokale fysische explosie
• Vlammen en intense lichtflitsen
• Toxische koperdampen, gassen en pyrolyseproducten

Kans van optreden

Voor zover bekend, zijn er in de periode 2020 – 2023 twee incidenten op een zonnepark in Nederland geweest, waarbij vaststaat dat er sprake was van een vlamboog aan de ondergrondse DC-bekabeling (zie voorbeeld). In 2020 waren er 229 zonneparken en in 2021 waren er 272 in Nederland (zie ook Verkenning van bodem en vegetatie in 25 zonneparken in Nederland en Monitor 2021: Participatiemonitor. Monitor Participatie. Hernieuwbare energie op land). Hoewel dit eigenlijk te weinig data zijn om een betrouwbare indicatie van de faalfrequentie te geven, lijkt deze op basis van deze getallen in de orde van grootte van 1 x 10^-3 per jaar te liggen.

In de wetenschappelijke literatuur is de vlamboog beschreven als een relatief vaak voorkomend probleem en oorzaak van branden met zonnepanelen (zie ook: Diagnosis of Series DC Arc Faults—A Machine Learning Approach en A comprehensive review on DC arc faults and their diagnosis methods in photovoltaic systems en Arc fault circuit interrupter (AFCI) for PV systems). De volgende factoren werken daarbij kansverhogend op een vlamboog bij een zonnepark ten opzichte van andere elektrische installaties.

• Vlamboogdetectie is inherent lastiger bij gelijkspanningsinstallaties;
• DC-bekabeling wordt in het algemeen niet spanningsloos bij het afschakelen van de zonnepanelen;
• Op een zonnepark liggen vele meters bekabeling en het park bevat vele connectoren.

Oorzaken van een vlamboog kunnen zijn:

• Slecht bevestigde connectoren of een koppeling van verkeerde connectoren;
• Veroudering van de bekabeling;
• Ondergronds levende knaagdieren;
• Graafwerkzaamheden;
• Smelten van de kabel door overbelasting;
• Lekstroom door slechte isolatie;
• Inwatering.

Effecten

Bij het ontstaan van de vlamboog vindt lokaal rondom de kabelbreuk een onmiddellijke temperatuurtoename plaats, waardoor de omliggende lucht en vocht zo snel uitzetten dat lokaal een fysische explosie plaatsvindt (zie ook: Electric arc explosions—A review). Bij vlamboogtesten in hoogspanningsinstallaties met een nog hogere spanning dan bij zonneparken (meerdere kilovolts) was deze explosie dermate krachtig, dat stoeptegels werden weggeworpen (zie ook: Ploffende mof deel 1 en Ploffende mof deel 2).

De fysische explosie zal gevolgd worden door een fase waarin de vlamboog in stand blijft, zolang er spanning op het kabeldeel blijft staan. De vlammen kunnen hierbij uit de grond naar boven komen. Ook kunnen vonken en gloeiendhete metaaldeeltjes wegspatten.

Door de hoge temperatuur smelt het koper van de bekabeling en komen er toxische koperdampen vrij. Koperdampen zijn giftig en kunnen door mensen worden ingeademd. Koper kan hierbij achterblijven in de longen en tot kopervergiftiging leiden (zie ook: Wat is een vlamboog?). Daarnaast kunnen er ook toxische en bijtende pyrolyseproducten en gassen worden gevormd door het branden en smeulen van de nylon, PVC of teflon behuizing en bekabeling. Hierdoor kunnen stikstofoxiden en waterstofchloride worden gevormd.

Het effect van de vlamboog zal naar verwachting vooral lokaal zijn; zodoende zal het effectgebied beperkt zijn tot het zonnepark zelf.

Normaliter kunnen de genoemde effecten aan een monteur die aan de betreffende kabel werkt ernstig lichamelijk letsel toebrengen. In dit scenario treedt de vlamboog ondergronds op, hetgeen impliceert dat effecten zoals de drukgolf en de lichtflitsen worden beperkt door de bovenliggende grond. Een keerzijde hiervan is dat beschadigingen aan de kabels wellicht onopgemerkt blijven.

Ten slotte is belangrijk om te beseffen dat op de DC-bekabeling van zonnepanelen altijd spanning kan staan, zelfs als de betreffende groep is afgeschakeld in de groepenkast van de omvormer. Als gevolg hiervan kan ook de vlamboog blijven voortduren. In figuur 2 is schematisch weergegeven op welke plekken vlambogen kunnen ontstaan in de DC-bekabeling.

Zelfredzaamheid en handelingsperspectief

Voor werknemers op het zonnepark is het handelingsperspectief afstand houden tot de plaats van het incident.

• Blijf uit de gevormde damp- en rookwolken;
• Ga niet met water of een schuimblusser de vlammen uit de grond blussen. De waterplas of het achtergebleven schuim geleiden stroom;
• Als u daartoe bevoegd bent, schakel de installatie af in de groepenkast.

Voor eventuele bezoekers is het handelingsperspectief vluchten.

Optreden multidisciplinaire hulpverlening

Zie ook: kennisdocument Brandweeroptreden nabij elektriciteit.

Brandweerzorg

• Blijf uit de gevormde dampwolken;
• Schakel de installatie af (als dit veilig en verantwoord kan);
• Voorkom uitbreiding van secundaire branden;
• Vermijd direct contact tussen bluswater en kabels onder (hoog)spanning. Dit vanwege het gevaar van elektrocutie;
• Eventueel kan overwogen worden om de zonnepanelen af te dekken met zeilen of doeken, waardoor de door de zonnepanelen geproduceerde elektrische stroom afneemt. Hiervoor is ook een afhechtingsmiddel PV-stop verkrijgbaar die na aanbrenging een afdekkende film vormt over de panelen. De effectiviteit van dit middel is echter nog niet door ons onderzocht.

Relevante aspecten

• Door de extreem hoge temperatuur kan bekabeling blijven nabranden of smeulen;
• De vlamboog kan zelfs na afschakeling in de groepenkast blijven voortduren, omdat de zonnepanelen nog stroom leveren. Alleen het afdekken van de zonnepanelen kan in zo’n situatie mogelijk helpen;
• Raadpleeg de (bedrijfs)deskundige om het systeem uit te schakelen;
• Pas op met natte oppervlakten en geleidende delen in relatie tot de afgeknipte delen;
• Grotere kabeltracés in geen geval knippen vanwege hoge stromen tot wel 100 A of meer. Grotere tracés zijn te herkennen aan dikkere kabels dan normaal en de aanwezigheid van combinerboxen (schakelkasten waar verschillende stringen (lussen) van zonnepanelen samenkomen);
• De connectoren kunnen losgekoppeld worden met speciaal gereedschap en de kabels kunnen doorgeknipt worden met een daarvoor geschikte kniptang. Let op blootliggende draden: zorg dat deze geen gevaar kunnen opleveren. Wees erop bedacht dat op een doorgeknipte kabel spanning kan staan. Bij toegang verschaffen tussen zonnepanelen moet de bekabeling van de panelen stuk voor stuk worden doorgeknipt;
• Bij zonneparken niet aan de installatie werken zonder deskundigheid. Uitschakelen kan altijd in overleg met de beheerder/netbeheerder;
• Schakel in de groepenkast de betreffende groepen af. Bij twijfel worden alle groepen afgeschakeld. Bij hybride systemen (met accu) kunnen delen onder spanning blijven staan;
• Lokaliseer de omvormer (als deze bereikbaar is) en schakel deze af. Indien mogelijk: schakel dan ook de ingaande en uitgaande zijde (AC/DC) af;
• Afhankelijk van de plek en bereikbaarheid van het incident kan er een grotere inzetcapaciteit benodigd zijn. Zo is een zonnepark op het gras makkelijker toegankelijk dan zonnepanelen op een dak. Bij een brand met zonnepanelen op een dak zijn vier tankautospuiten en een hoogwerker ingezet (zie ook: Brandweer Amsterdam: handen vol aan brand met cacaoloods door zonnepanelen).

Voor het geval waarin (ook) de zonnepanelen in brand staan, geven de Aandachtskaart Zonnepanelen en de Handreiking incidentbestrijding zonnepanelen handelingsperspectief.

Geneeskundige zorg

Een zonnepark is geen voor het publiek toegankelijke ruimte en het effectgebied van een vlamboog is naar verwachting beperkt tot het zonnepark. Een groot aantal slachtoffers lijkt daarom onwaarschijnlijk.

Mogelijk gezondheidsletsel bestaat uit:

• Brandwonden bij te dicht naderen;
• Kopervergiftiging door vrijkomende koperdampen;
• Oogletsel door sterke lichtflitsen en UV straling, lasogen.

Als een vlamboog plaatsvindt aan een kabel waar een monteur aan het werk is, is er wel zwaar lichamelijk letsel te verwachten. Dit letsel kan vergelijkbaar zijn met letsel na een explosie.

Politie, gemeente en netbeheerder

Het is onwaarschijnlijk dat er voor dit scenario gebieden moeten worden afgezet door de politie of dat grote groepen slachtoffers moeten worden opgevangen door de gemeente.

De netbeheerder zal mogelijk ter plaatse moeten komen om de elektriciteit af te schakelen en beschadigingen aan het elektriciteitsnet te repareren.

Maatregelen

Kansbeperkend

• Gebruik van de juiste (gecertificeerde) connectoren;
• Verstevigde bekabeling;
• Installatie door een deskundig installateur;
• Graafverbod bij zonneparken;
• Bekabeling spanningsloos maken bij werkzaamheden;
• Vlamboogdetectie. Automatische detectiesystemen specifiek voor DC-spanning zijn echter nog in ontwikkeling en niet altijd onder alle omstandigheden effectief (Lu et al. 2018). Automatische vlamboogdetectie bij DC-bekabeling is namelijk lastig.

Effect en gevolgbeperkend

• Snelle afschakeling;
• Veiligheidsinstructies;
• Veiligheidskleding bij werkzaamheden aan de bekabeling.

Voorbeeld

Vlamboog Zonnepark in Dongen

Bij een incident in Dongen trof de brandweer vlammen aan die uit de bodem naar boven kwamen. Er was veel rook- en dampontwikkeling. Op beeldmateriaal zijn ook rondvliegende vonken zichtbaar.

Vlamboog door graafschade

In onderstaande video zijn intense lichtflitsen te zien van een vlamboog (niet op een zonnepark) die is veroorzaakt door graafschade. Dergelijke incidenten leiden in voorkomende gevallen tot (zwaar) lichamelijk letsel bij bouwvakkers (zie ook: Digging disasters: rise in injuries amongst construction workers).