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Los peligros ocultos de los fallos de conexión a tierra en los sistemas fotovoltaicos

Los fallos de conexión a tierra de CC son los más comunes en los sistemas fotovoltaicos y la mitad no se detecta. Un fallo de conexión a tierra de CC es una corriente que atraviesa el conductor de puesta a tierra del equipo en los circuitos que transportan alimentación de CC (antes del inversor). Los fallos de conexión a tierra pueden provocar problemas de seguridad como, en el caso de alta tensión, arcos eléctricos. Además de un peligro de seguridad, los fallos de conexión a tierra crean un riesgo de incendio ya que el metal expuesto se calienta debido a un cortocircuito de corriente.

Para entender mejor un fallo de conexión a tierra de CC revisemos alguna terminología útil y examinemos el interior de un sistema fotovoltaico.

La terminología de puesta a tierra a tierra, tal como se define en el Código Eléctrico Nacional (NEC) estadounidense, es la siguiente:

  • Conductor de puesta a tierra del equipo (Equipment Grounding Conductor, EGC): “La ruta o rutas conductoras que proporcionan una ruta de corriente de fallo de conexión a tierra y que conectan normalmente partes metálicas que no transportan corriente del equipo entre sí y al conductor de puesta a tierra del sistema o al conductor del electrodo de puesta a tierra, o ambos.
  • Conductor de electrodo de conexión a tierra (Grounding Electrode Conductor, GEC): "Un conductor empleado para conectar el conductor conectado a tierra del sistema o el equipo a un electrodo de conexión a tierra o a un punto en el sistema de electrodos de conexión a tierra".
  • Conductor conectado a tierra: "Un conductor de circuito o sistema que ha sido conectado a tierra intencionadamente".
Figura 1: Sistema fotovoltaico con conexión a tierra negativa (sección de CC)

Figura 1: Sistema fotovoltaico con conexión a tierra negativa (sección de CC)

El EGC se utiliza para unir todas las piezas conductoras (módulos, bastidores) y proporcionar una ruta al GEC. El GEC conecta el EGC, y, por lo tanto, todo el sistema, al electrodo de conexión a tierra. El electrodo de conexión a tierra es una barra metálica grande que se introduce en la tierra con una profundidad de al menos 2,5 m. Suele ser de cobre, aluminio o aluminio revestido de cobre.

En caso de fallo de conexión a tierra de CC, la corriente fluye a través del EGC o de cualquier pieza de metal que esté conectada a tierra debido a un contacto accidental con el conductor conectado a tierra. Este contacto suele producirse debido a daños en el aislamiento del conductor, una instalación incorrecta, cables pinzados y presencia de agua, lo que puede crear una conexión eléctrica entre el conductor y el EGC.

¿Por qué son peligrosos los fallos de conexión a tierra de CC?

Los fallos de conexión a tierra de CC son especialmente peligrosos en sistemas fotovoltaicos grandes porque no siempre es fácil detectarlos y pueden pasar desapercibidos. Los dispositivos de protección contra fallos de conexión a tierra (Ground Fault Protection, GFP) no detectan la pequeña fuga de corriente (inferior a 1 A) en un fallo de conexión a tierra, de ahí que se denomine "punto ciego".

En caso de un segundo fallo con una corriente mayor en la que el GFP abriría el circuito, el fallo de conexión a tierra de CC inicial se convierte en una ruta paralela para una corriente de gran magnitud. Esto es precisamente lo que ocurrió en el incendio de Bakersfield (California) en 2009, en el una matriz fotovoltaica de 383 kW que dio lugar a un grave incendio: un fallo de tierra inicial de 2,5 A en un conductor de 12 AWG se convirtió en la ruta para un segundo fallo de tierra de 311 A donde una junta de expansión se separó en un cable de salida grande de 500 MCM (7.7 AWG). Mientras el GFP mitigaba el segundo fallo de tierra, las altas corrientes regresaron a través del primer fallo de tierra no detectado, fundiendo rápidamente el aislamiento del conductor e iniciando un incendio.

¿Cómo se detectan, diagnostican y mitigan los fallos de conexión a tierra de CC?

Como ya se ha mencionado, la detección de un fallo de conexión a tierra de CC es difícil, especialmente en sistemas fotovoltaicos grandes. Esto se debe a que los fallos de conexión a tierra de CC suelen ser inferiores a la sensibilidad mínima del dispositivo GFP. Las técnicas para detectar fallos de conexión a tierra de CC incluyen detectores de corriente residual (RCD) y supervisión de resistencia de aislamiento. Se recomienda realizar una prueba de puesta a tierra con un medidor de resistencia de aislamiento cada mañana para medir la resistencia a tierra. Esto se debe realizar mientras la matriz está en circuito abierto. La prueba revela dos posibilidades: la resistencia de aislamiento es superior al mínimo y el sistema puede iniciarse, o la resistencia de aislamiento es inferior al mínimo, lo que indica un aislamiento dañado y la posibilidad de un fallo de conexión a tierra. Además, se pueden colocar dispositivos de corriente residual (RCD) en los conductores de la matriz para medir corrientes anómalas que indicarían un fallo de tierra.

Técnicas de diagnóstico

Incluso cuando el interruptor de detección de fallos de conexión a tierra (GFDI) del inversor abre correctamente el circuito, puede resultar difícil localizar el origen de un fallo de conexión a tierra. En primer lugar, los técnicos deben comprobar mediante una prueba de continuidad si el GFDI se ha fundido. Una prueba de continuidad se realiza colocando las puntas de un multímetro en los extremos metálicos de un fusible y girando el selector para medir resistencia. Si la resistencia es alta, el fusible está fundido y debe sustituirse. A continuación, los técnicos deben realizar una prueba de resistencia de aislamiento en los conductores con un comprobador de aislamiento. En esta prueba se aplica una tensión a los conductores, generando una corriente en el cable que se mide (y se compara con una referencia con aislamiento en buen estado) para determinar el estado de la resistencia del aislamiento.

En la práctica, identificar el origen de un fallo de conexión a tierra puede resultar complicado, ya que se puede producir un fallo de conexión a tierra entre el conductor conectado a tierra y el EGC o un componente metálico en cualquier punto del circuito. Para determinar el origen de un fallo de conexión a tierra:

  1. Asegúrese de que el inversor está aislado de la matriz retirando los conductores positivo y negativo.
  2. Cierre la desconexión de CC para poner tensión en los conductores.
  3. Mida la tensión entre los conductores positivo y negativo para determinar la tensión de circuito abierto de la matriz; y.
  4. Mida positivo a tierra y negativo a tierra.

Si no hay ningún fallo de tierra, debe haber 0 voltios a tierra desde cualquiera de los conductores. Si hay tensión a tierra desde cualquiera de los conductores, compruebe cada punto de conexión (desconexión de CC, caja combinadora) en todo el recorrido hasta la matriz. Una vez localizado el fallo, sustituya el cable o cables y guarde un registro de las medidas y sustituciones.

El futuro de la energía solar fotovoltaica

¿Cuál es el futuro de la prevención de fallos de conexión a tierra de CC en sistemas fotovoltaicos?

Los fallos de conexión a tierra de CC se pueden evitar empleando inversores sin transformador (no aislados), que 1) tienen componentes electrónicos sensibles que pueden detectar un fallo de hasta 300 mA y 2) no tienen conductor con toma a tierra, lo que reduce la posibilidad de que se produzca una corriente a tierra no deseada. En lugar de invertir la CC a la CA a través de la inducción electromagnética, los inversores sin transformador emplean componentes electrónicos para la inversión y no están aislados eléctricamente por un núcleo de hierro. A diferencia de los inversores conectados a tierra equipados con transformadores con fusibles GFP, pueden detectar pequeños fallos de conexión a tierra y abrir eficazmente el circuito. Otra estrategia cada vez más frecuente es el uso de dispositivos electrónicos de alimentación a nivel de módulo (Module Level Power Electronics, MLPE), que pueden desconectar la alimentación de un módulo individualmente.

La prevención, detección y diagnóstico correctos de fallos de conexión a tierra de CC forma parte de un plan más amplio de puesta en marcha de sistemas fotovoltaicos, que será el tema del siguiente artículo de esta serie.

Acerca del experto

Michael Ginsberg es un experto en energía solar, formador del Departamento de Estado de EE.UU., autor y candidato a doctor en Ingeniería por la Universidad de Columbia. También es director ejecutivo de Mastering Green, donde ha formado a casi mil técnicos de todo el mundo en la instalación, mantenimiento y el funcionamiento de sistemas de energía solar fotovoltaicos.

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