为什么直流接地故障很危险？
Will White，福禄克高级应用专家
接地故障是太阳能光伏（PV）系统中最常见的问题之一，且通常也是最危险的问题。当光伏阵列中的直流（DC）导线意外接触到接地金属时，就会产生直流接地故障，该故障可能引发电气火灾、电弧闪光、设备损坏，并对人员构成严重的安全风险。
尽管直流接地故障频发，但许多此类故障仍未被检测到，在大型或老旧光伏阵列中尤为如此。了解这些故障为何重要以及如何及早检测到它们，有助于保护人员安全、延长系统正常运行时间，并确保系统可靠性。
直流接地故障如何发生？
当载流导体（如直流正极或负极）与接地金属表面（例如光伏组件框架、支架、导管或设备接地导体EGC）接触时，就会发生直流接地故障。这会导致电流绕过设计好的电路，通过非预期路径流动。
想了解基础知识，可参考 《光伏系统中的直流接地故障是什么？》。
虽然单次故障可能不会立即导致系统停机，但会产生泄漏电流，这种电流会绕过保护装置，且随着时间推移，风险会不断增加。
直流接地故障为何会引发火灾隐患？
直流接地故障的真正危险在于未被检测到的泄漏电流与发生二次故障的可能性相结合。
在正常接地的系统中，首次接地故障会形成一条接地路径，但其电流可能过小，无法触发接地故障保护（GFP）装置。事实上，许多故障的电流都小于 1 安培，远低于传统接地故障检测器（GFDI）的检测阈值。
若另一根导体上发生二次故障，这两次故障可能会形成并联电流路径，绕过逆变器的内部保护装置，使大量电流直接通过金属表面流动。这可能导致以下后果：
- 引发直流电弧故障，对人员构成安全风险
- 熔化绝缘层和导体，损坏设备
- 点燃周围物质，引发火灾
案例研究：2009 年贝克斯菲尔德火灾
2009 年发生在美国加利福尼亚州贝克斯菲尔德的火灾，是最常被提及的由接地故障引发的光伏火灾事故之一。
一个功率为 383 千瓦的屋顶光伏系统中，一根 12 号AWG（美国线规）导体出现了 2.5 安培的接地故障。由于该电流过小，无法触发接地故障检测器（GFDI），系统仍继续运行。
随后，二次故障发生：一根 500 MCM（千圆密耳）的导体上的伸缩接头断开，引发了高达 311 安培的严重故障。电流并未通过安全方式切断电路，而是通过最初的小型接地故障形成回路，导致导体迅速过热，最终引发屋顶火灾。
这一惨痛事件凸显了两个关键问题：
- 小型故障并非危险性更低
- 未被检测到的接地故障可能升级为灾难性事件
为何接地故障难以检测？
大多数接地故障（尤其是间歇性或低电流接地故障）产生的电流不足以触发标准的接地故障保护装置，在较老旧的基于变压器的逆变器中更是如此。
原因如下：
- 基于变压器的逆变器中，采用熔断器的接地故障检测器（GFDI）保护装置通常需要几安培的电流才能熔断熔断器
- 无变压器逆变器中的剩余电流检测器（RCD）灵敏度更高，但仍有检测阈值（约 300 毫安或更高）
- 环境条件（如干燥天气）可能会暂时提高电阻，从而掩盖故障
- 绝缘层击穿可能仅在特定情况下（如下雨天或跟踪支架阵列移动时）导致间歇性电流泄漏
因此，主动检测至关重要。即使系统仍在运行，也可能存在隐藏的故障。
了解如何检测永久性故障和间歇性故障：
接地故障如何引发电弧故障？
当受损导线形成高电阻路径，产生热量和火花时，接地故障便可能引发电弧故障。
直流电弧的危险性尤为突出，原因如下：
- 除非切断电源，否则直流电弧可能持续存在
- 直流电弧比交流电弧更难熄灭
- 直流电弧可能点燃周围物质（灰尘、塑料、绝缘材料、杂草、屋顶材料等）
工作电压为 1000 伏直流（VDC）或 1500 伏直流（VDC）的高压光伏阵列，在发生接地故障后，尤其容易产生持续电弧。
电弧闪光与人员安全
除引发火灾外，直流接地故障还可能导致电弧闪光事故，对技术人员构成致命风险。
如果系统中存在隐藏的接地故障，打开熔断器座或从端子上拔出导体时，可能会切断带有循环电流的电路，进而引发闪络。在最严重的情况下，这会导致：
- 严重烧伤
- 听力损伤
- 爆炸冲击伤
- 设备损坏
因此，在带电系统上作业时，即使系统看似运行正常，在打开非负载分断型隔离开关之前检测电流，并佩戴个人防护装备（PPE），都是必不可少的安全措施。
为确保检测安全，技术人员必须：
- 在打开熔断器座或组件互联装置等非负载分断型隔离开关之前，使用非接触式钳形表检测电路中的电流
- 佩戴适当的个人防护装备：
- 绝缘手套
- 阻燃服
- 电弧闪光防护面罩，或根据系统规模选择全套电弧闪光防护服
接地故障如何损坏设备？
除安全风险外，接地故障还会降低设备性能和可靠性。
若接地故障未被检测和修复，可能导致：
- 逆变器反复跳闸，缩短运行时间
- 监控系统出现数据错误
- 故障点发生腐蚀或长期磨损
- 光伏组件、接线盒或主干导体损坏
此外，由未诊断出的故障导致的反复跳闸，可能会掩盖其他问题，并随着时间推移增加维护成本。
主动检测的重要性
防止接地故障演变为危险事故的正确方法，是尽早检测并隔离故障。福禄克（Fluke）1587 FC 绝缘万用表、SMFT-1000 太阳能多功能工具和 GFL-1500 接地故障定位工具等设备，能帮助技术人员完成以下工作：
- 进行绝缘电阻测试
- 识别对地电阻较低的导体
- 在发生重大故障前隔离有问题的组串或电路
- 精准定位接地故障的位置
了解如何查找故障源：如何利用电压读数定位太阳能光伏阵列中的接地故障
了解何时需要修复故障：如何修复光伏系统中的接地故障
设计更安全的接地故障检测系统
新型系统架构有助于降低隐藏故障的风险：
- 无变压器逆变器采用剩余电流检测（RCD）技术，提高了故障检测灵敏度
- 组件级电力电子设备（MLPE）可将故障限制在单个组件范围内
- 不接地系统或浮地系统减少了意外接地路径的可能性
即便如此，这些技术并非绝对可靠。定期检测和记录必须成为所有维护流程的一部分。
结语
直流接地故障并非单纯的麻烦问题，而是光伏系统的 “隐形威胁”。若未被检测到，它们可能演变为火灾隐患、电弧闪光事故，甚至导致系统完全瘫痪。
理解接地故障的危险性，是打造更安全、更可靠太阳能发电装置的第一步。而下一步，则是运用正确的检测流程和工具采取行动。
