為什么直流接地故障很危險(xiǎn)？
Will White，福祿克高級(jí)應(yīng)用專家
接地故障是太陽能光伏（PV）系統(tǒng)中最常見的問題之一，且通常也是最危險(xiǎn)的問題。當(dāng)光伏陣列中的直流（DC）導(dǎo)線意外接觸到接地金屬時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生直流接地故障，該故障可能引發(fā)電氣火災(zāi)、電弧閃光、設(shè)備損壞，并對(duì)人員構(gòu)成嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。
盡管直流接地故障頻發(fā)，但許多此類故障仍未被檢測(cè)到，在大型或老舊光伏陣列中尤為如此。了解這些故障為何重要以及如何及早檢測(cè)到它們，有助于保護(hù)人員安全、延長(zhǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間，并確保系統(tǒng)可靠性。
直流接地故障如何發(fā)生？
當(dāng)載流導(dǎo)體（如直流正極或負(fù)極）與接地金屬表面（例如光伏組件框架、支架、導(dǎo)管或設(shè)備接地導(dǎo)體EGC）接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生直流接地故障。這會(huì)導(dǎo)致電流繞過設(shè)計(jì)好的電路，通過非預(yù)期路徑流動(dòng)。
想了解基礎(chǔ)知識(shí)，可參考 《光伏系統(tǒng)中的直流接地故障是什么？》。
雖然單次故障可能不會(huì)立即導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)，但會(huì)產(chǎn)生泄漏電流，這種電流會(huì)繞過保護(hù)裝置，且隨著時(shí)間推移，風(fēng)險(xiǎn)會(huì)不斷增加。
直流接地故障為何會(huì)引發(fā)火災(zāi)隱患？
直流接地故障的真正危險(xiǎn)在于未被檢測(cè)到的泄漏電流與發(fā)生二次故障的可能性相結(jié)合。
在正常接地的系統(tǒng)中，首次接地故障會(huì)形成一條接地路徑，但其電流可能過小，無法觸發(fā)接地故障保護(hù)（GFP）裝置。事實(shí)上，許多故障的電流都小于 1 安培，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)接地故障檢測(cè)器（GFDI）的檢測(cè)閾值。
若另一根導(dǎo)體上發(fā)生二次故障，這兩次故障可能會(huì)形成并聯(lián)電流路徑，繞過逆變器的內(nèi)部保護(hù)裝置，使大量電流直接通過金屬表面流動(dòng)。這可能導(dǎo)致以下后果：
- 引發(fā)直流電弧故障，對(duì)人員構(gòu)成安全風(fēng)險(xiǎn)
- 熔化絕緣層和導(dǎo)體，損壞設(shè)備
- 點(diǎn)燃周圍物質(zhì)，引發(fā)火災(zāi)
案例研究：2009 年貝克斯菲爾德火災(zāi)
2009 年發(fā)生在美國(guó)加利福尼亞州貝克斯菲爾德的火災(zāi)，是最常被提及的由接地故障引發(fā)的光伏火災(zāi)事故之一。
一個(gè)功率為 383 千瓦的屋頂光伏系統(tǒng)中，一根 12 號(hào)AWG（美國(guó)線規(guī)）導(dǎo)體出現(xiàn)了 2.5 安培的接地故障。由于該電流過小，無法觸發(fā)接地故障檢測(cè)器（GFDI），系統(tǒng)仍繼續(xù)運(yùn)行。
隨后，二次故障發(fā)生：一根 500 MCM（千圓密耳）的導(dǎo)體上的伸縮接頭斷開，引發(fā)了高達(dá) 311 安培的嚴(yán)重故障。電流并未通過安全方式切斷電路，而是通過最初的小型接地故障形成回路，導(dǎo)致導(dǎo)體迅速過熱，最終引發(fā)屋頂火災(zāi)。
這一慘痛事件凸顯了兩個(gè)關(guān)鍵問題：
- 小型故障并非危險(xiǎn)性更低
- 未被檢測(cè)到的接地故障可能升級(jí)為災(zāi)難性事件
為何接地故障難以檢測(cè)？
大多數(shù)接地故障（尤其是間歇性或低電流接地故障）產(chǎn)生的電流不足以觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的接地故障保護(hù)裝置，在較老舊的基于變壓器的逆變器中更是如此。
原因如下：
- 基于變壓器的逆變器中，采用熔斷器的接地故障檢測(cè)器（GFDI）保護(hù)裝置通常需要幾安培的電流才能熔斷熔斷器
- 無變壓器逆變器中的剩余電流檢測(cè)器（RCD）靈敏度更高，但仍有檢測(cè)閾值（約 300 毫安或更高）
- 環(huán)境條件（如干燥天氣）可能會(huì)暫時(shí)提高電阻，從而掩蓋故障
- 絕緣層擊穿可能僅在特定情況下（如下雨天或跟蹤支架陣列移動(dòng)時(shí)）導(dǎo)致間歇性電流泄漏
因此，主動(dòng)檢測(cè)至關(guān)重要。即使系統(tǒng)仍在運(yùn)行，也可能存在隱藏的故障。
了解如何檢測(cè)永久性故障和間歇性故障：
接地故障如何引發(fā)電弧故障？
當(dāng)受損導(dǎo)線形成高電阻路徑，產(chǎn)生熱量和火花時(shí)，接地故障便可能引發(fā)電弧故障。
直流電弧的危險(xiǎn)性尤為突出，原因如下：
- 除非切斷電源，否則直流電弧可能持續(xù)存在
- 直流電弧比交流電弧更難熄滅
- 直流電弧可能點(diǎn)燃周圍物質(zhì)（灰塵、塑料、絕緣材料、雜草、屋頂材料等）
工作電壓為 1000 伏直流（VDC）或 1500 伏直流（VDC）的高壓光伏陣列，在發(fā)生接地故障后，尤其容易產(chǎn)生持續(xù)電弧。
電弧閃光與人員安全
除引發(fā)火災(zāi)外，直流接地故障還可能導(dǎo)致電弧閃光事故，對(duì)技術(shù)人員構(gòu)成致命風(fēng)險(xiǎn)。
如果系統(tǒng)中存在隱藏的接地故障，打開熔斷器座或從端子上拔出導(dǎo)體時(shí)，可能會(huì)切斷帶有循環(huán)電流的電路，進(jìn)而引發(fā)閃絡(luò)。在最嚴(yán)重的情況下，這會(huì)導(dǎo)致：
- 嚴(yán)重?zé)齻?/li>
- 聽力損傷
- 爆炸沖擊傷
- 設(shè)備損壞
因此，在帶電系統(tǒng)上作業(yè)時(shí)，即使系統(tǒng)看似運(yùn)行正常，在打開非負(fù)載分?jǐn)嘈透綦x開關(guān)之前檢測(cè)電流，并佩戴個(gè)人防護(hù)裝備（PPE），都是必不可少的安全措施。
為確保檢測(cè)安全，技術(shù)人員必須：
- 在打開熔斷器座或組件互聯(lián)裝置等非負(fù)載分?jǐn)嘈透綦x開關(guān)之前，使用非接觸式鉗形表檢測(cè)電路中的電流
- 佩戴適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)裝備：
- 絕緣手套
- 阻燃服
- 電弧閃光防護(hù)面罩，或根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模選擇全套電弧閃光防護(hù)服
接地故障如何損壞設(shè)備？
除安全風(fēng)險(xiǎn)外，接地故障還會(huì)降低設(shè)備性能和可靠性。
若接地故障未被檢測(cè)和修復(fù)，可能導(dǎo)致：
- 逆變器反復(fù)跳閘，縮短運(yùn)行時(shí)間
- 監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤
- 故障點(diǎn)發(fā)生腐蝕或長(zhǎng)期磨損
- 光伏組件、接線盒或主干導(dǎo)體損壞
此外，由未診斷出的故障導(dǎo)致的反復(fù)跳閘，可能會(huì)掩蓋其他問題，并隨著時(shí)間推移增加維護(hù)成本。
主動(dòng)檢測(cè)的重要性
防止接地故障演變?yōu)槲ｋU(xiǎn)事故的正確方法，是盡早檢測(cè)并隔離故障。福祿克（Fluke）1587 FC 絕緣萬用表、SMFT-1000 太陽能多功能工具和 GFL-1500 接地故障定位工具等設(shè)備，能幫助技術(shù)人員完成以下工作：
- 進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試
- 識(shí)別對(duì)地電阻較低的導(dǎo)體
- 在發(fā)生重大故障前隔離有問題的組串或電路
- 精準(zhǔn)定位接地故障的位置
了解如何查找故障源：如何利用電壓讀數(shù)定位太陽能光伏陣列中的接地故障
了解何時(shí)需要修復(fù)故障：如何修復(fù)光伏系統(tǒng)中的接地故障
設(shè)計(jì)更安全的接地故障檢測(cè)系統(tǒng)
新型系統(tǒng)架構(gòu)有助于降低隱藏故障的風(fēng)險(xiǎn)：
- 無變壓器逆變器采用剩余電流檢測(cè)（RCD）技術(shù)，提高了故障檢測(cè)靈敏度
- 組件級(jí)電力電子設(shè)備（MLPE）可將故障限制在單個(gè)組件范圍內(nèi)
- 不接地系統(tǒng)或浮地系統(tǒng)減少了意外接地路徑的可能性
即便如此，這些技術(shù)并非絕對(duì)可靠。定期檢測(cè)和記錄必須成為所有維護(hù)流程的一部分。
結(jié)語
直流接地故障并非單純的麻煩問題，而是光伏系統(tǒng)的 “隱形威脅”。若未被檢測(cè)到，它們可能演變?yōu)榛馂?zāi)隱患、電弧閃光事故，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)完全癱瘓。
理解接地故障的危險(xiǎn)性，是打造更安全、更可靠太陽能發(fā)電裝置的第一步。而下一步，則是運(yùn)用正確的檢測(cè)流程和工具采取行動(dòng)。
