直流接地故障是光伏系統中常見的故障類型，并且有一半的故障未被發現。直流接地故障是指在輸送直流電力的電路（逆變器前）中流經設備接地導線的電流出現的不良情況。接地故障會導致嚴重的安全問題，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，接地故障還會產生火災危險，因為短路電流會使裸金屬急劇升溫。
為了更好地理解直流接地故障，讓我們看一些術語，并看看光伏系統內部的情況。
根據相關規范中的定義，接地是指：
· 設備接地導線 (EGC) =“提供接地故障電流路徑，并且通常將設備的非載流金屬部件連接在一起、連接到系統接地導線或接地電極導線或者兩者的導電路徑。”
· 接地電極導線 (GEC) =“用于將系統接地導線或設備連接到接地電極或接地電極系統上的一點的導線。”
· 接地導線 =“有意接地的系統或電路導線。”
負極接地的光伏系統（直流側）
EGC 用于將所有導電部件（模塊、支架）連接在一起，并提供通往 GEC 的路徑。GEC 將 EGC 以及整個系統連接到接地電極。接地電極是一個大金屬棒，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 或任何因與接地導線意外接觸而接地的金屬件。這種接觸通常是由于導線絕緣層損壞、安裝不當、導線被夾住和進水造成的，這些情況可能會使導線和 EGC 之間形成電氣連接。
為什么直流接地故障很危險？
直流接地故障在大型光伏系統中特別危險，因為它們不容易被發現。接地故障保護 (GFP) 設備無法檢測到接地故障中的小（< 1 安培）電流泄漏，因此這被稱為“盲點”。
如果二次側故障時的電流較大，GFP 會使電路跳閘，那么最初的直流接地故障將成為大電流的并聯路徑。在 2009 年加州貝克爾斯菲市一個 383 kW 光伏陣列起火就是發生了這種情況，該事故導致了一場重大火災 — 最初 12 AWG 導線上的 2.5 安培接地故障成為第二個 311 安培接地故障的導電路徑，其中一個膨脹節在一根 500 MCM (7.7 AWG) 的大輸出電纜上分離。當 GFP 對第二個接地故障做出反應時，高電流通過第一個未被發現的接地故障流出，迅速熔化導線上的絕緣層并引發火災。
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中。這是因為直流接地故障的電流通常小于 GFP 設備的最小靈敏度。檢測直流接地故障的技術包括絕緣電阻監測和剩余電流檢測器 (RCD)。建議每天早上使用絕緣電阻監測器進行接地測試，以測量接地電阻。這必須在陣列處于開路狀態時執行。測試能揭示兩種可能性 — 絕緣電阻高于最小值，系統可以啟動，或者絕緣電阻低于最小值，這表明絕緣層受損，并有可能發生接地故障。此外，可以將 RCD 連接陣列導線，以測量會指示接地故障的異常電流。
診斷技術
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，技術人員應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絲的金屬端并將刻度盤轉到電阻檔來進行通斷性測試。如果電阻過高，保險絲會被燒斷，并且必須予以更換。接下來，技術人員應使用絕緣測試儀對導線進行絕緣電阻測試。在該測試中，在導線上施加電壓，這會在導線上產生電流，測量該電流（并與絕緣層處于良好狀態時的基準進行比較）以確定絕緣電阻的狀態。
實際上，識別接地故障的源頭可能具有挑戰性，因為接地導線和 EGC 或電路中任何位置的金屬部件之間都可能會發生接地故障。要確定接地故障的源頭：
1、通過移除正負導線，確保逆變器與陣列隔離；
2、閉合直流斷開裝置，在導線上施加電壓；
3、測量正負導線之間的電壓，以確定陣列的開路電壓；
4、以及測量正極接地和負極接地。
如果沒有接地故障，從任一導線接地處測得的電壓應為 0 伏。如果任一導線存在接地電壓，則檢查每個連接點（直流斷開裝置、匯流箱），一直回到陣列。一旦發現故障，要立即更換導線，并保留測試和更換記錄。
未來防止光伏系統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將直流轉換為交流的，而是使用電子設備進行轉換的，并且沒有用鐵芯進行電氣隔離。與實際接地的帶 GFP 保險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。另一個越來越普遍的策略是使用模組化電力電子設備 (MLPE)，它可以切斷單個模塊的電源。
關于專家
Michael Ginsberg 是一名太陽能專家、美國國務院培訓師、作家和哥倫比亞大學工程科學博士候選人。他還是 Mastering Green 的首席執行官，在那里，他培訓了全世界近 1000 名太陽能光伏安裝、維護和操作技術人員。
