一起光伏組串接地故障分析處理

楊宇峰

(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

0 引言

我國光伏電力能源總裝機(jī)容量已達(dá)全球第一，隨著“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)的提出，光伏發(fā)電還將在未來的電力能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)更為重要的地位。光伏電站光伏組串作為光伏發(fā)電的基本單元，數(shù)量巨大，在日常運維過程中，光伏組串單極接地故障尤為常見，給光伏發(fā)電的正常運行帶來極大的安全隱患。因此，故障的快速定位及處理也就顯得極為重要。

1 光伏電站構(gòu)成

某光伏電站一期建設(shè)規(guī)模為0.63 MW (峰值功率)電站采用直交流集中逆變的方式，設(shè)置一臺630 kW 逆變器，逆變器下設(shè)8 個直流匯流箱，每個匯流箱匯流16 路直流光伏組串，每個光伏組串由20 塊光伏板組成，光伏板主要參數(shù)為：峰值功率260 W，開路電壓37.73 V，工作電壓30.77 V。逆變器工作回路中設(shè)置有直流母線絕緣監(jiān)測功能。

2 接地故障分析與處理

某光伏電站突發(fā)630 kW 逆變器接地故障報警，一般出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因為匯流箱、光伏組串、連接電纜與接頭等設(shè)備處發(fā)生接地所致。因此，按照從逆變器至光伏板逐步進(jìn)行排查。

2.1 故障匯流箱的定位

因光伏電站逆變器設(shè)備絕緣監(jiān)測是針對逆變器匯流母線設(shè)置，無法定位出接地故障發(fā)生的具體進(jìn)線回路，因此需要先在逆變器柜側(cè)采取一定的措施進(jìn)行故障點的初步定位[1-3]，步驟如下。

(1) 在逆變器柜內(nèi)，依次斷開直流進(jìn)線斷路器，當(dāng)報警消失和當(dāng)前斷開的回路相匹配時，可以判定該回路存在故障。

(2) 保持開路狀態(tài)，采用數(shù)字萬用表對初步判斷存在故障的直流匯流回路測量對地電壓。電壓示值保持不變，確認(rèn)此回路存在接地故障。光伏組串直流回路無接地時，數(shù)字萬用表測量對地電壓，測量結(jié)果會從一個示值逐漸變小，這是光伏發(fā)電回路正常和接地故障時對地電壓變化的顯著特征。

(3) 將回路在匯流箱內(nèi)的斷路器斷開，測量匯流箱至集中逆變器之間電纜絕緣電阻，判斷匯流箱至逆變器進(jìn)線電纜是否存在接地故障。

依據(jù)上述故障判斷的思路和步驟，最后判定故障來源為6 號匯流箱。

2.2 故障點的定位與處理

根據(jù)上述判定結(jié)果，重點對6 號匯流箱下游光伏組串進(jìn)行故障點的精準(zhǔn)定位。因匯流箱由16 路光伏組串回路并聯(lián)組成，而每路光伏組串由20 塊光伏板串聯(lián)組成，按照先查找光伏組串回路，再進(jìn)行光伏板定位的思路繼續(xù)排查。

(1) 故障光伏組串回路定位。在匯流箱內(nèi)，依次序分別斷開每個光伏組串回路終端匯入箱內(nèi)直流母線的熔斷器，用數(shù)字萬用表測量對地電壓，觀察其變化特征，排查出存在接地的光伏組串回路，發(fā)現(xiàn)3 號光伏組串回路存在接地故障的可能。

測量結(jié)果為：3 號光伏組串回路負(fù)極對地電壓絕對值約為137 V，正極對地電壓絕對值為548 V，正負(fù)極總電壓為685 V，平均每塊光伏板開路輸出電壓為34.25 V。由負(fù)極電壓除以平均電壓可得到：137/34 ≈4。根據(jù)以上結(jié)果分析，基本可以判定，在靠近3 號光伏組串負(fù)極引出線側(cè)的第4 塊和第5塊光伏板之間可能存在連接電纜或接頭接地，即圖1 中DC 060317 號至DC 060316 號光伏板之間的連接電纜或接頭處。

(2) 光伏組串故障點查找。根據(jù)分析判斷，隨即進(jìn)入3 號光伏組串安裝現(xiàn)場進(jìn)行故障點查找，發(fā)現(xiàn)3 號光伏組串受現(xiàn)場地形影響，分布在兩個區(qū)域安裝，其中12 塊安裝一處，8 塊安裝在另一處，兩個區(qū)域之間正負(fù)極串聯(lián)電纜埋地敷設(shè)，安裝方式如圖1 所示。斷開兩個區(qū)域的埋地連接電纜兩端的連接專用插頭(MC4)，同時用絕緣電阻表進(jìn)行電纜絕緣測試，發(fā)現(xiàn)負(fù)極連接電纜絕緣電阻為0 MΩ，存在接地故障。

(3) 故障處理。考慮光伏組串日后的安全運行，對埋地電纜進(jìn)行了整體更換。電纜更換完成后，在匯流箱內(nèi)對3 號光伏組串回路測量對地電壓，符合光伏發(fā)電回路正常時電壓變化特征，同時測量正負(fù)極開路電壓，并和其他光伏組串的開路電壓進(jìn)行對比，其電壓示值基本一致。隨后，恢復(fù)該回路斷路器，觀察逆變器運行情況，接地故障報警消除。

3 故障處理總結(jié)

根據(jù)以上光伏電站光伏組串接地故障的分析、查找和處理的過程，總結(jié)類似光伏組串接地故障的處理方法。

(1) 根據(jù)直流接地的報警區(qū)域從直流回路的匯入首端逐漸向末端查尋。在直流系統(tǒng)開路狀態(tài)下進(jìn)行電壓測量，根據(jù)電壓顯示狀態(tài)的差異特征，同時借助絕緣電阻表測量接地電阻，定位出具體接地故障光伏組串區(qū)域。

(2) 根據(jù)測量的光伏組串開路狀態(tài)下正負(fù)極對地電壓、正負(fù)極之間的電壓示值進(jìn)行故障點的精準(zhǔn)定位。一般情況下，|U(+，-)|=|U(+，0)|+|U(0，-)|，因同時發(fā)生兩點接地的概率較低，可以利用公式推算接地位置點。

圖1 6 號匯流箱場區(qū)3 號光伏組串連接回路

式中，N 為總的光伏板數(shù)，U(±，0)為光伏組串開路狀態(tài)下正極或負(fù)極對地電壓值，U(+，-)光伏組串開路狀態(tài)下正負(fù)極之間的電壓，計算結(jié)果n 取整數(shù)值，則故障點可定位在在光伏組串回路總的出口正極或負(fù)極的第n 塊和n+1 塊光伏板之間。

根據(jù)現(xiàn)場光伏組串中電纜的串接方式，光伏板匯聚光伏組串，并通過專用插頭(MC4)與下一光伏板串聯(lián)，電纜敷設(shè)在光伏板支架的線槽內(nèi)，其本體及接口一般不會受到雨水侵蝕。但是串內(nèi)之間、光伏組串出口進(jìn)入?yún)R流箱的電纜，由于采用比較經(jīng)濟(jì)的直埋方式，在敷設(shè)過程中受人為因素、施工質(zhì)量管控、土壤內(nèi)部尖銳物等影響，存在潛伏性隱患，因此直埋電纜發(fā)生接地故障的概率較高，所以在光伏組串接地故障排查時，可以優(yōu)先考慮直埋電纜存在接地故障的可能。

(3) 接地故障判斷為電纜問題時建議對連接電纜進(jìn)行更換處理，處理結(jié)束恢復(fù)運行后，對接地故障處理回路運行狀態(tài)進(jìn)行復(fù)測和觀察，確認(rèn)回路運行正常后方可閉環(huán)。

4 結(jié)束語

通過一光伏電站光伏組串的接地故障分析與處理，總結(jié)了同類常發(fā)性問題的處理思路和技術(shù)方法，對故障點快速定位與處理、及時恢復(fù)設(shè)備運行具有重要意義，為檢修人員在處理類似故障時提供參考。