直流接地故障是光伏系統(tǒng)中常見的故障類型，并且有一半的故障未被發(fā)現(xiàn)。直流接地故障是指在輸送直流電力的電路（逆變器前）中流經(jīng)設(shè)備接地導(dǎo)線的電流出現(xiàn)的不良情況。接地故障會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題，例如電弧故障，以及高電壓情況下的電弧閃光。除了安全隱患之外，接地故障還會(huì)產(chǎn)生火災(zāi)危險(xiǎn)，因?yàn)槎搪冯娏鲿?huì)使裸金屬急劇升溫。

為了更好地理解直流接地故障，讓我們看一些術(shù)語，并看看光伏系統(tǒng)內(nèi)部的情況。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范中的定義，接地是指：

· 設(shè)備接地導(dǎo)線 (EGC) =“提供接地故障電流路徑，并且通常將設(shè)備的非載流金屬部件連接在一起、連接到系統(tǒng)接地導(dǎo)線或接地電極導(dǎo)線或者兩者的導(dǎo)電路徑?！?

· 接地電極導(dǎo)線 (GEC) =“用于將系統(tǒng)接地導(dǎo)線或設(shè)備連接到接地電極或接地電極系統(tǒng)上的一點(diǎn)的導(dǎo)線?！?

· 接地導(dǎo)線 =“有意接地的系統(tǒng)或電路導(dǎo)線?！?

負(fù)極接地的光伏系統(tǒng)（直流側(cè)）

EGC 用于將所有導(dǎo)電部件（模塊、支架）連接在一起，并提供通往 GEC 的路徑。GEC 將 EGC 以及整個(gè)系統(tǒng)連接到接地電極。接地電極是一個(gè)大金屬棒，插入地下至少 8 英尺深。它通常采用銅、鋁或銅包鋁制成。

在直流接地故障中，電流流過 EGC 或任何因與接地導(dǎo)線意外接觸而接地的金屬件。這種接觸通常是由于導(dǎo)線絕緣層損壞、安裝不當(dāng)、導(dǎo)線被夾住和進(jìn)水造成的，這些情況可能會(huì)使導(dǎo)線和 EGC 之間形成電氣連接。

為什么直流接地故障很危險(xiǎn)？

直流接地故障在大型光伏系統(tǒng)中特別危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈儾蝗菀妆话l(fā)現(xiàn)。接地故障保護(hù) (GFP) 設(shè)備無法檢測到接地故障中的?。? 1 安培）電流泄漏，因此這被稱為“盲點(diǎn)”。

如果二次側(cè)故障時(shí)的電流較大，GFP 會(huì)使電路跳閘，那么最初的直流接地故障將成為大電流的并聯(lián)路徑。在 2009 年加州貝克爾斯菲市一個(gè) 383 kW 光伏陣列起火就是發(fā)生了這種情況，該事故導(dǎo)致了一場重大火災(zāi) — 最初 12 AWG 導(dǎo)線上的 2.5 安培接地故障成為第二個(gè) 311 安培接地故障的導(dǎo)電路徑，其中一個(gè)膨脹節(jié)在一根 500 MCM (7.7 AWG) 的大輸出電纜上分離。當(dāng) GFP 對(duì)第二個(gè)接地故障做出反應(yīng)時(shí)，高電流通過第一個(gè)未被發(fā)現(xiàn)的接地故障流出，迅速熔化導(dǎo)線上的絕緣層并引發(fā)火災(zāi)。

如何檢測、診斷和緩解直流接地故障？

如上所述，檢測直流接地故障很困難，特別是在大型光伏系統(tǒng)中。這是因?yàn)橹绷鹘拥毓收系碾娏魍ǔＰ∮?GFP 設(shè)備的最小靈敏度。檢測直流接地故障的技術(shù)包括絕緣電阻監(jiān)測和剩余電流檢測器 (RCD)。建議每天早上使用絕緣電阻監(jiān)測器進(jìn)行接地測試，以測量接地電阻。這必須在陣列處于開路狀態(tài)時(shí)執(zhí)行。測試能揭示兩種可能性 — 絕緣電阻高于最小值，系統(tǒng)可以啟動(dòng)，或者絕緣電阻低于最小值，這表明絕緣層受損，并有可能發(fā)生接地故障。此外，可以將 RCD 連接陣列導(dǎo)線，以測量會(huì)指示接地故障的異常電流。

診斷技術(shù)

即使逆變器中的接地故障檢測斷流器 (GFDI) 成功地使電路跳閘，也很難確定接地故障的源頭。首先，技術(shù)人員應(yīng)通過通斷性測試檢查 GFDI 是否燒斷。通過將萬用表的引線放在保險(xiǎn)絲的金屬端并將刻度盤轉(zhuǎn)到電阻檔來進(jìn)行通斷性測試。如果電阻過高，保險(xiǎn)絲會(huì)被燒斷，并且必須予以更換。接下來，技術(shù)人員應(yīng)使用絕緣測試儀對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行絕緣電阻測試。在該測試中，在導(dǎo)線上施加電壓，這會(huì)在導(dǎo)線上產(chǎn)生電流，測量該電流（并與絕緣層處于良好狀態(tài)時(shí)的基準(zhǔn)進(jìn)行比較）以確定絕緣電阻的狀態(tài)。

實(shí)際上，識(shí)別接地故障的源頭可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榻拥貙?dǎo)線和 EGC 或電路中任何位置的金屬部件之間都可能會(huì)發(fā)生接地故障。要確定接地故障的源頭：

1、通過移除正負(fù)導(dǎo)線，確保逆變器與陣列隔離；

2、閉合直流斷開裝置，在導(dǎo)線上施加電壓；

3、測量正負(fù)導(dǎo)線之間的電壓，以確定陣列的開路電壓；

4、以及測量正極接地和負(fù)極接地。

如果沒有接地故障，從任一導(dǎo)線接地處測得的電壓應(yīng)為 0 伏。如果任一導(dǎo)線存在接地電壓，則檢查每個(gè)連接點(diǎn)（直流斷開裝置、匯流箱），一直回到陣列。一旦發(fā)現(xiàn)故障，要立即更換導(dǎo)線，并保留測試和更換記錄。

未來防止光伏系統(tǒng)中存在直流接地故障的措施是什么？

使用無變壓器（非隔離）逆變器可以防止直流接地故障，這種逆變器 1) 具有靈敏的電子器件，可以檢測低至 300 mA 的故障，2) 沒有接地導(dǎo)線，從而降低了意外電流接地的可能性。無變壓器逆變器不是通過電磁感應(yīng)將直流轉(zhuǎn)換為交流的，而是使用電子設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，并且沒有用鐵芯進(jìn)行電氣隔離。與實(shí)際接地的帶 GFP 保險(xiǎn)絲的變壓器式逆變器不同，它們可以檢測到小接地故障電流，并有效地使電路跳閘。另一個(gè)越來越普遍的策略是使用模組化電力電子設(shè)備 (MLPE)，它可以切斷單個(gè)模塊的電源。

關(guān)于專家

Michael Ginsberg 是一名太陽能專家、美國國務(wù)院培訓(xùn)師、作家和哥倫比亞大學(xué)工程科學(xué)博士候選人。他還是 Mastering Green 的首席執(zhí)行官，在那里，他培訓(xùn)了全世界近 1000 名太陽能光伏安裝、維護(hù)和操作技術(shù)人員。