任何光伏(PV)系統(tǒng)中，安全性和正常運行時間都取決于選擇正確和快速的接地和故障檢測方法。但是，當線纜或接頭絕緣被破壞或導體與接地部件接觸時，可能會發(fā)生直流接地故障，給人員、設備和生產帶來嚴重風險。

直流接地故障是光伏發(fā)電設施中最常見的故障之一，但經常被曲解，未被重視。本文介紹什么是直流接地故障，故障的發(fā)生原因及盡快排除的重要性，以及現(xiàn)場處理直流接地故障的具體步驟。

什么是接地故障？

接地故障是載流導體(如直流正極或負極線纜)與接地表面(通常是模塊框架、機架或線管等金屬部件)之間的意外電氣連接。

在光伏系統(tǒng)的直流側，這通常意味著正極或負極與設備接地導體或其他接地金屬表面接觸。

在交流電路中，接地故障可能發(fā)生在任何未接地的導體(L1、L2、L3)上，但直流接地故障僅限于太陽能電池陣列的光伏板一側(在光伏逆變器之前)。

直流接地故障發(fā)生在何處？

直流接地故障最容易發(fā)生在以下區(qū)域或者條件下：

模塊上：有損壞或被夾扁的線纜接觸到模塊框架。

匯流箱處：端子或連接點內部絕緣擊穿。

傳輸線纜：振動或熱膨脹導致線管或線纜橋架內部磨損。

安裝過程中：機架邊緣鋒利，走線不當，或緊固件夾扁或磨損線纜。

潮濕條件下：水分侵入可使線纜和接地部件發(fā)生短路。

上述問題很難立即檢測到，這就是為什么根據(jù)美國國家電氣規(guī)范(NEC)和國際電工委員會(IEC)標準，所有光伏(PV)系統(tǒng)都必須進行接地故障保護。

直流接地故障有什么電氣表現(xiàn)？

在電氣方面，接地故障會改變光伏(PV)組串或陣列的電壓分布。正常情況下，導體和地之間的電壓應為零。但出現(xiàn)故障時，將測量到一根或兩根導體與地之間的電壓值非零。

還將測量正、負極直流導體之間的預期開路電壓(Voc)。這就是使接地故障具有欺騙性的原因——即使存在危險故障，陣列也可能看起來正常地發(fā)電。

接地故障是如何發(fā)生的？

直流接地故障通常由以下原因引起：

機械損壞：導體在安裝或移動過程中被擠壓破損

環(huán)境壓力：紫外線降解、溫差不斷變化、水分侵入

絕緣失效：老化、受熱或剝線不當

嚙齒動物損害：動物咬穿線管或連接處的線纜

許多系統(tǒng)中故障都發(fā)展緩慢。間歇性接觸可能不會被注意，直到其發(fā)展為硬接地故障，導致逆變器跳閘或造成可見損壞。

為什么直流接地故障很危險？

直流接地故障不僅會帶來停機等麻煩，而且存在潛在危險。小電流故障，特別是在大型光伏系統(tǒng)中，通常不會被檢測到，從而給情況惡化留出了時間。

如果在其他導體上發(fā)生二次接地故障，可為電流創(chuàng)造出一個并聯(lián)路徑，這可能導致：

電弧故障

電氣火災

高壓電弧

設備嚴重損壞

事實上，2009年美國加利福尼亞州貝克斯菲爾德(Bakersfield)的一場屋頂火災正是由上述情況引起的——一個小的接地故障在發(fā)生二次故障時為超過300A的電流創(chuàng)造了一個通道。結果是導體過熱熔化，絕緣層爆裂，引發(fā)了一場大火。

如何檢測直流接地故障？

逆變器必須配備接地故障檢測與隔離裝置(GFDI)或接地故障保護裝置(GFP)，這些裝置能檢測故障并切斷逆變器電源。然而，其有效性取決于系統(tǒng)設計：

變壓器型逆變器通常采用熔斷器式接地故障斷路器(GFDI)，這類裝置可能無法檢測到幾安培以下的故障電流。

無變壓器型逆變器采用剩余電流檢測器(RCD)，可檢測低至300 mA的故障電流。

模塊級電力電子設備(MLPE)，如優(yōu)化器和微型逆變器，通常在模塊層面內置接地故障檢測功能。

檢測到或懷疑發(fā)生接地故障的后續(xù)步驟是什么？

懷疑發(fā)生接地故障或因GFDI啟動致使逆變器關斷時，下一步是安全地定位故障源并進行修復。

可遵循以下詳細指南采取行動：

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如何檢測光伏組串的間歇性接地故障？

如何檢測光伏電路的斷路故障？

如何利用電壓讀數(shù)定位光伏陣列的接地故障？

如何檢測光伏系統(tǒng)的硬接地故障？

如何修復光伏(PV)系統(tǒng)的接地故障？

接地在故障預防中的作用？

正確的系統(tǒng)接地是第一道防線。以下是NEC定義的光伏系統(tǒng)接地的關鍵組件：

設備接地導體(EGC)——連接所有金屬部件，并為故障電流提供通路

接地極導體(GEC)——將系統(tǒng)連接至大地(通常通過打入接地極實現(xiàn))

功能接地導體——系統(tǒng)中被有意接地的載流導體，通常為負極導體

發(fā)生接地故障時，電流從正常電路漏泄并流經EGC。正因如此，正確的聯(lián)結、端接和線管布局對系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行至關重要。

所有接地故障都相同嗎？

不是！直流接地故障主要有兩種類型：

硬接地故障——一種持續(xù)存在的低電阻連接；

間歇性接地故障——一種高電阻連接，可能僅在特定條件下出現(xiàn)(如降雨、溫度變化、追蹤陣列移動)。

想深入了解兩者的區(qū)別嗎？

請參閱技術文章：硬接地故障與間歇性接地故障有何區(qū)別？（硬接地故障與間歇性接地故障有何區(qū)別？ | 福祿克）

未來技術與預防

新技術有助于降低接地故障的發(fā)生頻率和嚴重程度：

無變壓器型逆變器，可檢測到低漏泄水平的漏電流

MLPE可隔離模塊級故障

系統(tǒng)啟動或日常運行期間可進行的自動絕緣電阻測試

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總結

直流接地故障是光伏系統(tǒng)的重大問題，指導體意外接觸到接地的金屬表面，可能導致無法檢測到的電流漏泄、危險的電弧故障，甚至引發(fā)火災。

理解什么是接地故障——以及如何識別、隔離和修復故障——是每位光伏系統(tǒng)從業(yè)技術人員和系統(tǒng)設計師應掌握的基礎知識。幸運的是，通過結構化方法和正確工具，接地故障能夠得到安全高效的診斷。