為什么直流接地故障很危險？
Will White，福祿克高級應用專家
接地故障是太陽能光伏（PV）系統中最常見的問題之一，且通常也是最危險的問題。當光伏陣列中的直流（DC）導線意外接觸到接地金屬時，就會產生直流接地故障，該故障可能引發電氣火災、電弧閃光、設備損壞，并對人員構成嚴重的安全風險。
盡管直流接地故障頻發，但許多此類故障仍未被檢測到，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到它們，有助于保護人員安全、延長系統正常運行時間，并確保系統可靠性。
直流接地故障如何發生？
當載流導體（如直流正極或負極）與接地金屬表面（例如光伏組件框架、支架、導管或設備接地導體EGC）接觸時，就會發生直流接地故障。這會導致電流繞過設計好的電路，通過非預期路徑流動。
想了解基礎知識，可參考 《光伏系統中的直流接地故障是什么？》。
雖然單次故障可能不會立即導致系統停機，但會產生泄漏電流，這種電流會繞過保護裝置，且隨著時間推移，風險會不斷增加。
直流接地故障為何會引發火災隱患？
直流接地故障的真正危險在于未被檢測到的泄漏電流與發生二次故障的可能性相結合。
在正常接地的系統中，首次接地故障會形成一條接地路徑，但其電流可能過小，無法觸發接地故障保護（GFP）裝置。事實上，許多故障的電流都小于 1 安培，遠低于傳統接地故障檢測器（GFDI）的檢測閾值。
若另一根導體上發生二次故障，這兩次故障可能會形成并聯電流路徑，繞過逆變器的內部保護裝置，使大量電流直接通過金屬表面流動。這可能導致以下后果：
- 引發直流電弧故障，對人員構成安全風險
- 熔化絕緣層和導體，損壞設備
- 點燃周圍物質，引發火災
案例研究：2009 年貝克斯菲爾德火災
2009 年發生在美國加利福尼亞州貝克斯菲爾德的火災，是最常被提及的由接地故障引發的光伏火災事故之一。
一個功率為 383 千瓦的屋頂光伏系統中，一根 12 號AWG（美國線規）導體出現了 2.5 安培的接地故障。由于該電流過小，無法觸發接地故障檢測器（GFDI），系統仍繼續運行。
隨后，二次故障發生：一根 500 MCM（千圓密耳）的導體上的伸縮接頭斷開，引發了高達 311 安培的嚴重故障。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，導致導體迅速過熱，最終引發屋頂火災。
這一慘痛事件凸顯了兩個關鍵問題：
- 小型故障并非危險性更低
- 未被檢測到的接地故障可能升級為災難性事件
為何接地故障難以檢測？
大多數接地故障（尤其是間歇性或低電流接地故障）產生的電流不足以觸發標準的接地故障保護裝置，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器（GFDI）保護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器（RCD）靈敏度更高，但仍有檢測閾值（約 300 毫安或更高）
- 環境條件（如干燥天氣）可能會暫時提高電阻，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時）導致間歇性電流泄漏
因此，主動檢測至關重要。即使系統仍在運行，也可能存在隱藏的故障。
了解如何檢測永久性故障和間歇性故障：
接地故障如何引發電弧故障？
當受損導線形成高電阻路徑，產生熱量和火花時，接地故障便可能引發電弧故障。
直流電弧的危險性尤為突出，原因如下：
- 除非切斷電源，否則直流電弧可能持續存在
- 直流電弧比交流電弧更難熄滅
- 直流電弧可能點燃周圍物質（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，在發生接地故障后，尤其容易產生持續電弧。
電弧閃光與人員安全
除引發火災外，直流接地故障還可能導致電弧閃光事故，對技術人員構成致命風險。
如果系統中存在隱藏的接地故障，打開熔斷器座或從端子上拔出導體時，可能會切斷帶有循環電流的電路，進而引發閃絡。在最嚴重的情況下，這會導致：
- 嚴重燒傷
- 聽力損傷
- 爆炸沖擊傷
- 設備損壞
因此，在帶電系統上作業時，即使系統看似運行正常，在打開非負載分斷型隔離開關之前檢測電流，并佩戴個人防護裝備（PPE），都是必不可少的安全措施。
為確保檢測安全，技術人員必須：
- 在打開熔斷器座或組件互聯裝置等非負載分斷型隔離開關之前，使用非接觸式鉗形表檢測電路中的電流
- 佩戴適當的個人防護裝備：
- 絕緣手套
- 阻燃服
- 電弧閃光防護面罩，或根據系統規模選擇全套電弧閃光防護服
接地故障如何損壞設備？
除安全風險外，接地故障還會降低設備性能和可靠性。
若接地故障未被檢測和修復，可能導致：
- 逆變器反復跳閘，縮短運行時間
- 監控系統出現數據錯誤
- 故障點發生腐蝕或長期磨損
- 光伏組件、接線盒或主干導體損壞
此外，由未診斷出的故障導致的反復跳閘，可能會掩蓋其他問題，并隨著時間推移增加維護成本。
主動檢測的重要性
防止接地故障演變為危險事故的正確方法，是盡早檢測并隔離故障。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備，能幫助技術人員完成以下工作：
- 進行絕緣電阻測試
- 識別對地電阻較低的導體
- 在發生重大故障前隔離有問題的組串或電路
- 精準定位接地故障的位置
了解如何查找故障源：如何利用電壓讀數定位太陽能光伏陣列中的接地故障
了解何時需要修復故障：如何修復光伏系統中的接地故障
設計更安全的接地故障檢測系統
新型系統架構有助于降低隱藏故障的風險：
- 無變壓器逆變器采用剩余電流檢測（RCD）技術，提高了故障檢測靈敏度
- 組件級電力電子設備（MLPE）可將故障限制在單個組件范圍內
- 不接地系統或浮地系統減少了意外接地路徑的可能性
即便如此，這些技術并非絕對可靠。定期檢測和記錄必須成為所有維護流程的一部分。
結語
直流接地故障并非單純的麻煩問題，而是光伏系統的 “隱形威脅”。若未被檢測到，它們可能演變為火災隱患、電弧閃光事故，甚至導致系統完全癱瘓。
理解接地故障的危險性，是打造更安全、更可靠太陽能發電裝置的第一步。而下一步，則是運用正確的檢測流程和工具采取行動。
