¿Qué es un error por derivación a tierra de CC en un sistema fotovoltaico?

Por Will White, especialista en aplicaciones sénior de Fluke, DER

En cualquier sistema fotovoltaico, la seguridad y el tiempo de actividad dependen de una conexión a tierra adecuada y de la detección de fallos. Sin embargo, cuando el aislamiento se descompone o los conductores entran en contacto con componentes conectados a tierra, pueden producirse errores por derivación a tierra de corriente continua, lo que supone graves riesgos para las personas, los equipos y la productividad.

Los errores por derivación a tierra de corriente continua son uno de los fallos más habituales, aunque a menudo malinterpretados, en las instalaciones solares. En este artículo se explica en qué consiste un fallo de conexión a tierra de CC, cómo se produce, por qué es importante y a dónde acudir después si ocurre uno en campo.

¿Qué es un error por derivación a tierra?

Un error por derivación a tierra es una conexión eléctrica no intencionada entre un conductor que transporta corriente (como un cable positivo o negativo de CC) y una superficie con puesta a tierra, normalmente componentes metálicos como bastidores de módulos, sistemas de estanterías o conducciones.

En el lado de CC de un sistema fotovoltaico, esto suele significar que un conductor positivo o negativo está haciendo contacto con el conductor de puesta a tierra del equipo (EGC) u otras superficies metálicas conectadas a tierra.

En circuitos de CA, pueden producirse errores por derivación a tierra en cualquier conductor sin puesta a tierra (L1, L2, L3), pero los errores por derivación a tierra de CC son específicos del lado fotovoltaico (previo al inversor) de una matriz solar.

¿Dónde se producen los errores por derivación a tierra de CC?

Los errores por derivación a tierra de CC son más habituales en estas zonas:

En el módulo: Un cable dañado o pellizcado toca el bastidor del módulo.
En la caja combinadora: Ruptura de aislamiento dentro de terminales o empalmes.
A lo largo del conductor principal de caja combinadora: Las vibraciones o la expansión térmica provocan desgaste en el interior del conducto o de la escalerilla de cables.
Durante la instalación: Los bordes afilados de las estanterías, la mala disposición o las fijaciones pinzan o desgastan los conductores.
En condiciones de humedad: La entrada de agua puede puentear las conexiones entre los conductores y los componentes puestos a tierra.

Estos problemas pueden ser difíciles de detectar inmediatamente, por lo que la protección contra derivaciones a tierra es obligatoria para todos los sistemas fotovoltaicos según las normas del Código eléctrico nacional (NEC) estadounidense y de la Comisión electrotécnica internacional (IEC).

¿Cómo es un error por derivación a tierra de CC en lo que a electricidad respecta?

Eléctricamente, un fallo de tierra cambia el perfil de tensión de una cadena o matriz fotovoltaica. Normalmente, debe haber cero voltios entre cualquiera de los conductores y la tierra. No obstante, si hay algún fallo, obtendrá una tensión distinta de cero entre uno o ambos conductores y la tierra.

Asimismo, también obtendrá la tensión de circuito abierto (VOC) prevista entre los conductores de CC positivo y negativo. Esto es lo que hace que los errores por derivación a tierra resulten engañosos: la matriz puede parecer que está produciendo energía con normalidad incluso cuando hay un fallo peligroso presente.

¿Cómo se producen los errores por derivación a tierra?

Los errores por derivación a tierra de CC suelen estar causados por lo siguiente:

Daño mecánico: Conductores pinzados durante la instalación o el traslado
Tensión ambiental: Deterioro por radiación ultravioleta, ciclos de temperatura, entrada de humedad
Fallo de aislamiento: Desgaste, calor o pelado incorrecto de cable
Daños causados por roedores: Animales cuyos mordiscos atraviesan conducciones o juntas

En muchos sistemas, los errores se desarrollan lentamente. Un contacto intermitente puede pasar desapercibido hasta que se convierte en un error por derivación a tierra que dispara el inversor o provoca daños visibles.

¿Por qué son peligrosos los errores por derivación a tierra de CC?

Los errores por derivación a tierra de CC no solo son incómodos, sino que son potencialmente peligrosos. Los errores por baja corriente, en particular aquellos que se producen en sistemas fotovoltaicos, suelen pasar desapercibidos, lo que deja tiempo para que las condiciones empeoren.

Si se produce un segundo error por derivación a tierra en un conductor diferente, puede crear una ruta paralela para la corriente, lo que puede dar lugar a lo siguiente:

Fallos por arco eléctrico
Incendios eléctricos
Arcos que chispean a alta tensión
Daños graves en equipos

De hecho, un incendio en una azotea que se produjo en la localidad californiana (EE. UU.) de Bakersfield en 2009 fue causado exactamente por esta situación: un pequeño error inicial por derivación a tierra se transformó en una conducción para más de 300 amperios de corriente en un segundo fallo. El resultado fue que el conductor y el aislamiento se fundieron y se produjo un incendio de consideración.

Para obtener más información sobre los peligros, consulte el siguiente artículo: ¿Por qué son peligrosos los errores por derivación a tierra de CC?

¿Cómo se detectan los errores por derivación a tierra en CC?

Los inversores deben incorporar dispositivos de detección e interrupción de errores por derivación a tierra (GFDI) o de protección contra derivaciones a tierra (GFP), que detectan errores y desactivan el inversor. Sin embargo, su eficacia depende del diseño del sistema:

Los inversores con transformador suelen emplear GFDI de fusibles, que pueden no detectar fallos por debajo de unos pocos amperios.
Los inversores sin transformador utilizan detectores de corriente residual (RCD), que pueden detectar corrientes de fallo de hasta 300 mA.
Los componentes electrónicos de potencia a nivel de módulo (MLPE), como los optimizadores y microinversores, suelen incorporar un mecanismo detección de errores por derivación a tierra integrado a nivel de módulo.

¿Qué ocurre después de detectar una derivación a tierra o sospechar que se está produciendo?

Si se sospecha de que se está produciendo un error por derivación a tierra o si un inversor se desactiva debido a la activación de GFDI, el siguiente paso es localizar el origen y hacer las rectificaciones correspondientes en las debidas condiciones de seguridad.

Puede seguir las instrucciones de estas guías detalladas para actuar:

El papel de la conexión a tierra en la prevención de fallos

Una puesta a tierra adecuada del sistema es su primera línea de defensa. Estos son los componentes clave definidos por el NEC en un sistema fotovoltaico conectado a tierra:

Conductor de conexión a tierra del equipo (EGC): une todos los componentes metálicos y suministra una ruta para la corriente de fallo
Conductor de electrodo de conexión a tierra (GEC): conecta el sistema a tierra (normalmente a través de una varilla de puesta a tierra clavada)
Conductor con conexión a tierra funcional: conductor que transporta corriente y que está puesto a tierra intencionadamente en un sistema, normalmente el conductor negativo

Cuando se produce una derivación a tierra, la corriente se fuga del circuito previsto y circula por el EGC. Por este motivo, la conexión, la terminación y el diseño de conductos adecuados son cruciales para el buen estado del sistema a largo plazo.

¿Son iguales todos los errores por derivación a tierra?

No. Hay dos tipos principales de errores por derivación a tierra de corriente continua:

Errores por derivación a tierra persistentes: conexión continua de baja resistencia que se mantiene.
Errores por derivación a tierra intermitentes: conexión de alta resistencia que puede aparecer solo en determinadas condiciones (por ejemplo, lluvia, cambios de temperatura, movimientos por el denominado efecto de "tracking" [encaminamiento] de matrices fotovoltaicas).

¿Quiere profundizar en las diferencias? Consulte lo siguiente: ¿Cuál es la diferencia entre los errores por derivación a tierra persistentes e intermitentes?

Tecnologías futuras y prevención

Las nuevas tecnologías ayudan a reducir la frecuencia y gravedad de los errores por derivación a tierra:

Inversores sin transformador que detectan fugas de bajo nivel
MLPE que aíslan errores a nivel de módulo
Comprobación automatizada de la resistencia de aislamiento durante el arranque del sistema o el funcionamiento diario

Resumen

Un error por derivación a tierra de CC es un problema crítico en los sistemas fotovoltaicos en los que un conductor entra en contacto accidentalmente con una superficie metálica puesta a tierra. Puede provocar fugas de corriente no detectadas, errores por arco peligrosos o incluso incendios.

Conocer qué es un fallo de conexión a tierra y cómo detectarlo, aislarlo y rectificarlo es fundamental para todos los técnicos en energía solar y diseñadores de sistemas. Por suerte, con un enfoque estructurado y las herramientas adecuadas, los errores por derivación a tierra se pueden diagnosticar de forma segura y eficaz.

Acerca del autor

Will White comenzó a trabajar en el sector fotovoltaico en 2005 para una pequeña empresa de integración. Después de comenzar como instalador, trabajó en ventas, diseño y gestión de proyectos, y finalmente se convirtió en director de operaciones. En 2016, se unió al equipo curricular de Solar Energy International (SEI), donde se centró en el desarrollo de contenido de cursos de formación y en la impartición de clases sobre energía solar. En 2022, dio el salto a un puesto de especialista en aplicaciones solares en Fluke, donde presta asistencia a sus equipos de comprobación de energía renovable, como trazadores de curva IV, medidores eléctricos y cámaras termográficas.

Will tiene experiencia en energía eólica y solar térmica, almacenamiento energético y energía fotovoltaica en todos sus aspectos. Una cosa que le apasiona es la aplicación de técnicas de instalación de calidad que cumplen con los preceptos normativos correspondientes. Will lleva dedicándose a la instalación de equipos fotovoltaicos con certificación de la Junta Norteamericana de Profesionales Certificados en Energía (NABCEP) desde 2006; antes de ello, también era instalador de colectores solares certificado por la misma Junta. Es licenciado en Business Management por el Columbia College de Chicago (EE. UU.) y tiene un máster en dirección de empresas por la Universidad de Nebraska-Lincoln. En su tiempo libre, se le puede encontrar trabajando con su esposa y su hija en su casa en el centro de Vermont, construida con pacas de paja sin electricidad.

Puede conectar con Will por LinkedIn.

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