什么是光伏系统直流接地故障？
作者：Will White，福禄克高级应用专家
任何光伏(PV)系统中，安全性和正常运行时间都取决于正确接地和故障检测。但是，当绝缘被破坏或导体与接地部件接触时，可能会发生直流接地故障，给人员、设备和生产带来严重风险
直流接地故障是太阳能设施中最常见的故障之一，但经常被曲解。本文介绍什么是直流接地故障，故障的发生原因及重要性，以及现场处理直流接地故障的具体步骤。
什么是接地故障？
接地故障是载流导体(如直流正极或负极线缆)与接地表面(通常是模块框架、机架或线管等金属部件)之间的意外电气连接。
在光伏系统的直流侧，这通常意味着正极或负极与设备接地导体或其他接地金属表面接触。
在光伏系统的直流侧，这通常意味着正极或负极与设备接地导体或其他接地金属表面接触。
直流接地故障发生在何处？
直流接地故障最容易发生在以下区域：
- 模块上：有损坏或夹扁的线缆接触到模块框架。
- 汇流箱内：端子或连接点内部绝缘击穿。
- 主干导体：振动或热膨胀导致线管或电缆桥架内部磨损。
- 安装过程中：机架边缘锋利，走线不良，或紧固件夹扁或磨损导体。
- 潮湿条件下：水分侵入可使导体和接地部件发生桥接。
上述问题很难立即检测到，这就是为什么根据美国国家电气规范(NEC)和国际电工委员会(IEC)标准，所有光伏(PV)系统都必须进行接地故障保护。
直流接地故障有什么电气表现？
在电气方面，接地故障会改变光伏(PV)组串或阵列的电压分布。正常情况下，导体和地之间的电压应为零。但出现故障时，将测量到一根或两根导体与地之间的电压值非零。
还将测量正负极直流导体之间的预期开路电压(Voc)。这就是使接地故障具有欺骗性的原因——即使存在危险故障，阵列也可能看起来正常地发电。
接地故障是如何发生的？
直流接地故障通常由以下原因引起：
- 机械损坏：导体在安装或移动过程中被挤压
- 环境压力：紫外线降解、温度循环、水分侵入
- 绝缘失效：老化、受热或剥线不当
- 啮齿动物损害：动物咬穿线管或连接处的线缆
许多系统中故障都发展缓慢。间歇性接触可能不会被注意，直到其发展为硬接地故障，导致逆变器跳闸或造成可见损坏。
为什么直流接地故障很危险
直流接地故障不仅会带来麻烦，而且存在潜在危险。小电流故障，特别是在大型光伏系统中，通常不会被检测到，从而给情况恶化留出了时间。
如果在其他导体上发生二次接地故障，可为电流创造出一个并联路径，这可能导致：
- 电弧故障
- 电气火灾
- 高压电弧
- 设备严重损坏
事实上，2009年美国加利福尼亚州贝克斯菲尔德(Bakersfield)的一场屋顶火灾正是由上述情况引起的——一个小的接地故障在发生二次故障时为超过300A的电流创造了一个通道。结果是导体过热熔化，绝缘层爆裂，引发了一场大火。
了解更多的风险，请参阅：为什么直流接地故障很危险？
如何检测直流接地故障？
逆变器必须配备接地故障检测与隔离装置(GFDI)或接地故障保护装置(GFP)，这些装置能检测故障并切断逆变器电源。然而，其有效性取决于系统设计：
- 变压器型逆变器通常采用熔断器式接地故障断路器(GFDI)，这类装置可能无法检测到几安培以下的故障电流。
- 无变压器型逆变器采用剩余电流检测器(RCD)，可检测低至300 mA的故障电流。
- 模块级电力电子设备(MLPE)，如优化器和微型逆变器，通常在模块层面内置接地故障检测功能。
检测到或怀疑发生接地故障的后续步骤是什么？
怀疑发生接地故障或逆变器因接GFDI启动而关断时，下一步是安全地定位故障源并进行修复。
可遵循以下详细指南采取行动：
接地在故障预防中的作用
正确的系统接地是第一道防线。以下是NEC定义的接地光伏系统的关键组件：
- 设备接地导体(EGC)——连接所有金属部件，并为故障电流提供通路
- 接地极导体(GEC)——将系统连接至大地(通常通过打入接地极实现)
- 功能接地导体——系统中被有意接地的载流导体，通常为负极导体。
发生接地故障时，电流从正常电路漏泄并流经EGC。正因如此，正确的联结、端接和线管布局对系统的长期稳定运行至关重要。
所有接地故障都相同吗？
不是。直流接地故障主要有两种类型：
- 硬接地故障——一种持续存在的低电阻连接。
- 间歇性接地故障——一种高电阻连接，可能仅在特定条件下出现(如降雨、温度变化、追踪阵列移动)。
想深入了解两者的区别吗？参阅： 硬接地故障与间歇性接地故障有何区别？
未来技术与预防
新技术有助于降低接地故障的发生频率和严重程度：
- 无变压器型逆变器可检测低漏泄电流水平
- MLPE可隔离模块级故障
- 系统启动或日常运行期间可进行的自动绝缘电阻测试
总结
直流接地故障是光伏系统的重大问题，指导体意外接触到接地的金属表面，可能导致无法检测到的电流漏泄、危险的电弧故障，甚至引发火灾。
理解什么是接地故障——以及如何识别、隔离和修复故障——是每位太阳能技术人员和系统设计师应掌握的基础知识。幸运的是，通过结构化方法和正确工具，接地故障能够得到安全高效的诊断。
