直流接地故障是光伏系统中常见的故障类型，并且有一半的故障未被发现。直流接地故障是指在输送直流电力的电路（逆变器前）中流经设备接地导线的电流出现的不良情况。接地故障会导致严重的安全问题，例如电弧故障，以及高电压情况下的电弧闪光。除了安全隐患之外，接地故障还会产生火灾危险，因为短路电流会使裸金属急剧升温。
为了更好地理解直流接地故障，让我们看一些术语，并看看光伏系统内部的情况。
根据相关规范中的定义，接地是指：
设备接地导线 (EGC) =“提供接地故障电流路径，并且通常将设备的非载流金属部件连接在一起、连接到系统接地导线或接地电极导线或者两者的导电路径。”
接地电极导线 (GEC) =“用于将系统接地导线或设备连接到接地电极或接地电极系统上的一点的导线。”
接地导线 =“有意接地的系统或电路导线。”
负极接地的光伏系统（直流侧）
EGC 用于将所有导电部件（模块、支架）连接在一起，并提供通往 GEC 的路径。GEC 将 EGC 以及整个系统连接到接地电极。接地电极是一个大金属棒，插入地下至少 8 英尺深。它通常采用铜、铝或铜包铝制成。
在直流接地故障中，电流流过 EGC 或任何因与接地导线意外接触而接地的金属件。这种接触通常是由于导线绝缘层损坏、安装不当、导线被夹住和进水造成的，这些情况可能会使导线和 EGC 之间形成电气连接。
为什么直流接地故障很危险？
直流接地故障在大型光伏系统中特别危险，因为它们不容易被发现。接地故障保护 (GFP) 设备无法检测到接地故障中的小（< 1 安培）电流泄漏，因此这被称为“盲点”。
如果二次侧故障时的电流较大，GFP 会使电路跳闸，那么最初的直流接地故障将成为大电流的并联路径。在 2009 年加州贝克尔斯菲市一个 383 kW 光伏阵列起火就是发生了这种情况，该事故导致了一场重大火灾 — 最初 12 AWG 导线上的 2.5 安培接地故障成为第二个 311 安培接地故障的导电路径，其中一个膨胀节在一根 500 MCM (7.7 AWG) 的大输出电缆上分离。当 GFP 对第二个接地故障做出反应时，高电流通过第一个未被发现的接地故障流出，迅速熔化导线上的绝缘层并引发火灾。
如何检测、诊断和缓解直流接地故障？
如上所述，检测直流接地故障很困难，特别是在大型光伏系统中。这是因为直流接地故障的电流通常小于 GFP 设备的最小灵敏度。检测直流接地故障的技术包括绝缘电阻监测和剩余电流检测器 (RCD)。建议每天早上使用绝缘电阻监测器进行接地测试，以测量接地电阻。这必须在阵列处于开路状态时执行。测试能揭示两种可能性 — 绝缘电阻高于最小值，系统可以启动，或者绝缘电阻低于最小值，这表明绝缘层受损，并有可能发生接地故障。此外，可以将 RCD 连接阵列导线，以测量会指示接地故障的异常电流。
诊断技术
即使逆变器中的接地故障检测断流器 (GFDI) 成功地使电路跳闸，也很难确定接地故障的源头。首先，技术人员应通过通断性测试检查 GFDI 是否烧断。通过将万用表的引线放在保险丝的金属端并将刻度盘转到电阻档来进行通断性测试。如果电阻过高，保险丝会被烧断，并且必须予以更换。接下来，技术人员应使用绝缘测试仪对导线进行绝缘电阻测试。在该测试中，在导线上施加电压，这会在导线上产生电流，测量该电流（并与绝缘层处于良好状态时的基准进行比较）以确定绝缘电阻的状态。
实际上，识别接地故障的源头可能具有挑战性，因为接地导线和 EGC 或电路中任何位置的金属部件之间都可能会发生接地故障。要确定接地故障的源头：
通过移除正负导线，确保逆变器与阵列隔离；
闭合直流断开装置，在导线上施加电压；
测量正负导线之间的电压，以确定阵列的开路电压；
以及测量正极接地和负极接地。
如果没有接地故障，从任一导线接地处测得的电压应为 0 伏。如果任一导线存在接地电压，则检查每个连接点（直流断开装置、汇流箱），一直回到阵列。一旦发现故障，要立即更换导线，并保留测试和更换记录。
未来防止光伏系统中存在
直流接地故障的措施是什么？
使用无变压器（非隔离）逆变器可以防止直流接地故障，这种逆变器 1) 具有灵敏的电子器件，可以检测低至 300 mA 的故障，2) 没有接地导线，从而降低了意外电流接地的可能性。无变压器逆变器不是通过电磁感应将直流转换为交流的，而是使用电子设备进行转换的，并且没有用铁芯进行电气隔离。与实际接地的带 GFP 保险丝的变压器式逆变器不同，它们可以检测到小接地故障电流，并有效地使电路跳闸。另一个越来越普遍的策略是使用模组化电力电子设备 (MLPE)，它可以切断单个模块的电源。
关于专家
Michael Ginsberg 是一名太阳能专家、美国国务院培训师、作家和哥伦比亚大学工程科学博士候选人。他还是 Mastering Green 的首席执行官，在那里，他培训了全世界近 1000 名太阳能光伏安装、维护和操作技术人员。
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