任何光伏(PV)系統(tǒng)中，安全性和正常運(yùn)行時(shí)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(dāng)線纜或接頭絕緣被破壞或?qū)w與接地部件接觸時(shí)，可能會(huì)發(fā)生直流接地故障，給人員、設(shè)備和生產(chǎn)帶來嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。

直流接地故障是光伏發(fā)電設(shè)施中最常見的故障之一，但經(jīng)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(dǎo)體(如直流正極或負(fù)極線纜)與接地表面(通常是模塊框架、機(jī)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(cè)，這通常意味著正極或負(fù)極與設(shè)備接地導(dǎo)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(dǎo)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(cè)(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(diǎn)內(nèi)部絕緣擊穿。

傳輸線纜：振動(dòng)或熱膨脹導(dǎo)致線管或線纜橋架內(nèi)部磨損。

安裝過程中：機(jī)架邊緣鋒利，走線不當(dāng)，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(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)，所有光伏(PV)系統(tǒng)都必須進(jìn)行接地故障保護(hù)。

直流接地故障有什么電氣表現(xiàn)？

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

還將測量正、負(fù)極直流導(dǎo)體之間的預(yù)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(xiǎn)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(jī)械損壞：導(dǎo)體在安裝或移動(dòng)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(dāng)

嚙齒動(dòng)物損害：動(dòng)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(huì)被注意，直到其發(fā)展為硬接地故障，導(dǎo)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(xiǎn)？

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

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

電弧故障

電氣火災(zāi)

高壓電弧

設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞

事實(shí)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(zāi)正是由上述情況引起的——一個(gè)小的接地故障在發(fā)生二次故障時(shí)為超過300A的電流創(chuàng)造了一個(gè)通道。結(jié)果是導(dǎo)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(hù)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(shè)計(jì)：

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(jí)電力電子設(shè)備(MLPE)，如優(yōu)化器和微型逆變器，通常在模塊層面內(nèi)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(dòng)致使逆變器關(guān)斷時(shí)，下一步是安全地定位故障源并進(jìn)行修復(fù)。

可遵循以下詳細(xì)指南采取行動(dòng)：

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Fluke GFL-1500 光伏系統(tǒng)接地故障定位儀 | 福祿克

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(fù)光伏(PV)系統(tǒng)的接地故障？

接地在故障預(yù)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(guān)鍵組件：

設(shè)備接地導(dǎo)體(EGC)——連接所有金屬部件，并為故障電流提供通路

接地極導(dǎo)體(GEC)——將系統(tǒng)連接至大地(通常通過打入接地極實(shí)現(xiàn))

功能接地導(dǎo)體——系統(tǒng)中被有意接地的載流導(dǎo)體，通常為負(fù)極導(dǎo)體

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

想深入了解兩者的區(qū)別嗎？

請(qǐng)參閱技術(shù)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(shù)與預(yù)防

新技術(shù)有助于降低接地故障的發(fā)生頻率和嚴(yán)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(jí)故障

系統(tǒng)啟動(dòng)或日常運(yùn)行期間可進(jìn)行的自動(dòng)絕緣電阻測試

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總結(jié)

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

理解什么是接地故障——以及如何識(shí)別、隔離和修復(fù)故障——是每位光伏系統(tǒng)從業(yè)技術(shù)人員和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。幸運(yùn)的是，通過結(jié)構(gòu)化方法和正確工具，接地故障能夠得到安全高效的診斷。