直流接地故障是光伏系统中最常见的故障类型，其中一半未被发现。直流接地故障是指电流在携带直流电源的电路(逆变器之前)中流经设备接地导体的不良情况。接地故障会导致严重的安全问题，比如电弧故障，在高压情况下，电弧闪光．除了安全隐患外，接地故障还会产生火灾隐患，因为裸露的金属会被短路电流加热。
为了更好地理解直流接地故障，让我们回顾一些术语并查看PV系统内部。
接地在国家电气规范中定义的术语是:
- 设备接地导体(EGC)= "提供接地故障电流路径的导电路径，通常将设备的非载流金属部件连接在一起，并与系统接地导体或接地电极导体或两者连接在一起。
- 接地电极导体(GEC)= "用于将系统接地导体或设备连接到接地电极或接地电极系统上的点的导体。"
- 接地导体=“故意接地的系统或电路导体。”
图1:负接地光伏系统(直流侧)
EGC用于将所有导电部件(模块，机架)连接在一起，并提供到GEC的路径。GEC连接EGC，从而将整个系统连接到接地电极。接地电极是一根大金属棒，插入至少8英尺深的土壤中。通常是铜、铝或覆铜铝。
在直流接地故障中，电流通过EGC或任何由于与接地导体意外接触而被接地的金属片流动。这种接触通常是由于导体绝缘损坏、安装不当、夹紧电线和水造成的，这些都可能在导体和EGC之间产生电气连接。
为什么直流接地故障是危险的?
直流接地故障在大型光伏系统中特别危险，因为它们很容易不被发现。接地故障保护(GFP)设备不能检测到接地故障中泄漏的小电流(< 1安培)，因此它被称为“盲点”。
在发生第二次电流较大的故障时，GFP将跳闸电路，初始直流接地故障成为大电流的平行路径。这正是发生在2009年，加州贝克斯菲尔德火灾在一个383千瓦的光伏阵列中，导致了一场重大火灾——一根12 AWG导体上的初始2.5安培接地故障，成为了第二个311安培接地故障的路径，其中一个膨胀节在一根大型500 MCM (7.7 AWG)输出电缆上分离。当GFP清除了第二个接地故障时，高电流通过第一个未检测到的接地故障返回，迅速熔化导体上的绝缘并引发火灾。
直流接地故障如何检测、诊断和缓解?
如前所述，直流接地故障的检测是困难的，特别是在大型光伏系统中。这是因为直流接地故障通常小于GFP设备的最小灵敏度。直流接地故障检测技术包括绝缘电阻监测和剩余电流检测器。建议使用电缆进行接地测试绝缘电阻监测器每天早晨测量对地电阻。这必须在阵列处于开路状态时执行。测试显示了两种可能性——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，这表明绝缘损坏和接地故障的可能性。此外，rcd可以放置在阵列导体上，以测量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中断器(GFDI)成功跳闸电路，也很难定位接地故障的来源。首先，技术人员应该检查GFDI是否通过了连续性测试。连续性测试是通过放置导线来进行的万用表在保险丝的金属端上，把刻度盘转到电阻。如果电阻很高，则保险丝烧断，必须更换。接下来，技术人员应该执行绝缘电阻试验在导体上使用绝缘测试仪。在该测试中，在导体上施加电压，在导线上产生被测量的电流(并与绝缘状况良好的基线进行比较)，以确定绝缘电阻的状态。
在实践中，识别接地故障的来源可能具有挑战性，因为接地故障可能发生在接地导体和EGC或电路中任何一点的金属组件之间。确定接地故障的来源:
- 通过移除正负极导体，确保逆变器与阵列隔离;
- 关闭直流断开，对导体施加活电压;
- 测量正负极导体之间的电压，以确定阵列的开路电压;和
- 测量正对地和负对地。
如果没有接地故障，从任一导体到地的电压应为0伏。如果任何一根导线都存在接地电压，检查每个连接点(直流断开，合流箱)一直到阵列。一旦发现故障，更换电线，并保持测试和更换记录。
PV系统直流接地故障预防的未来是什么?
直流接地故障可以使用无变压器(非隔离)逆变器来防止，该逆变器1)具有敏感的电子器件，可以感知低至300 mA的故障，2)没有接地导体，从而减少了意外电流到地的可能性。无变压器逆变器不是通过电磁感应将直流逆变成交流，而是使用电子器件进行逆变，并且没有铁芯电隔离。不像实际接地的逆变器与变压器与绿色荧光熔断器，他们可以感知小的接地故障，并有效地跳闸电路。另一种日益流行的策略是使用模块级功率电子器件(MLPEs)，它可以切断单个模块的电源。
成功预防、检测和诊断直流接地故障是光伏系统更大调试计划的一部分，这将是本系列下一篇文章的主题。
关于专家
Michael Ginsberg是太阳能专家，美国国务院培训师，哥伦比亚大学工程科学博士候选人，作家。他也是的首席执行官掌握绿色在那里，他在太阳能光伏安装、维护和操作方面培训了全球近千名技术人员。