Perché i guasti a terra DC sono pericolosi

Di Will White, Fluke Senior Application Specialist, DER

I guasti a terra sono uno dei problemi più comuni negli impianti fotovoltaici (FV) solari e spesso sono i più pericolosi. Quando un conduttore di corrente continua (DC) in un array FV entra accidentalmente in contatto con una parte metallica con messa a terra, crea un guasto a terra DC che può provocare incendi elettrici, archi elettrici, danni alle apparecchiature e gravi rischi per la sicurezza del personale.

Nonostante la loro frequenza, molti guasti a terra DC non vengono rilevati, soprattutto negli array solari su larga scala o meno recenti. Comprendere il motivo per cui questi guasti sono importanti e come rilevarli tempestivamente può aiutare a proteggere le persone, massimizzare i tempi di attività e garantire l'affidabilità del sistema.

Come si verifica un guasto a terra DC?

Un guasto a terra DC si verifica quando un conduttore che trasporta corrente (per esempio positivo o negativo DC) entra in contatto con una superficie metallica con messa a terra, come il telaio di un modulo FV, un rack, un condotto o il conduttore di messa a terra dell'apparecchiatura (EGC). Il risultato è un flusso di corrente attraverso percorsi non intenzionali, al di fuori del progetto del circuito elettrico.

Scoprite le nozioni fondamentali in Cos'è un guasto a terra DC in un impianto FV?

Sebbene un singolo guasto potrebbe non arrestare immediatamente il sistema, introduce una corrente di dispersione che bypassa i dispositivi di protezione e aumenta il rischio nel tempo.

In che modo i guasti a terra DC creano rischi di incendio

Il vero pericolo posto dai guasti a terra DC risiede nella combinazione tra la corrente di dispersione non rilevata e la possibilità di un secondo guasto.

In un sistema correttamente collegato a massa, il primo guasto a terra crea un percorso a massa ma potrebbe essere troppo piccolo per far scattare il dispositivo di protezione dai guasti a terra (GFP). In effetti, molti guasti sono inferiori a 1 amp, ben al di sotto della soglia di rilevamento dei GFDI (Ground Fault Detection Interrupter) preesistenti.

Se si sviluppa un secondo guasto su un altro conduttore, i due guasti possono creare un percorso di corrente parallelo, bypassando la protezione interna dell'inverter e consentendo il passaggio diretto di grandi quantità di corrente attraverso le superfici metalliche. Ciò può:

• Causare un guasto ad arco DC, che comporta un rischio per la sicurezza del personale
• Fondere isolamento e conduttori, danneggiando le apparecchiature
• Provocare l’accensione di materiali circostanti, generando un incendio

Esempio pratico: l’incendio di Bakersfield del 2009

Uno dei più citati incendi di impianti FV causati da guasti a terra si verificò a Bakersfield, in California, nel 2009.

Un impianto su tetto da 383 kW subì un guasto a terra di 2,5 amp su un conduttore da 12 AWG. L’impianto continuò a funzionare perché la corrente era troppo bassa per far scattare il GFDI.

Successivamente si verificò un secondo guasto: un giunto di espansione si separò su un conduttore 500 MCM, causando un ingente guasto da 311 amp. Anziché interrompere in sicurezza il circuito, la corrente di ritorno attraversò il guasto a terra originale di lieve entità, surriscaldando rapidamente il conduttore e innescando un incendio sul tetto.

Questa tragica sequenza evidenzia due punti critici:

1. I guasti di lieve entità non sono meno pericolosi
2. I guasti a terra non rilevati possono trasformarsi in eventi catastrofici

Perché i guasti a terra sono difficili da rilevare

La maggior parte dei guasti a terra, in particolare quelli intermittenti o di basso livello, non produce una corrente sufficiente per l'attivazione della protezione standard contro i guasti a terra, in particolare nel caso degli inverter meno recenti con trasformatore.

Ecco perché:

• La protezione GFDI basata su fusibili negli inverter con trasformatore richiede spesso svariati amp per bruciare il fusibile
• I rilevatori di corrente residua (RCD) negli inverter senza trasformatore sono più sensibili ma possiedono comunque delle soglie (~300 mA o più)
• Le condizioni ambientali (ad esempio, tempo secco) possono temporaneamente aumentare la resistenza e celare un guasto
• I guasti dell'isolamento possono causare perdite di corrente solo in modo intermittente (ad esempio, in caso di pioggia o durante il movimento degli array di tracciamento)

Ecco perché è essenziale eseguire test proattivi. Anche se un sistema è operativo, potrebbe comunque funzionare in presenza di guasti nascosti.

Imparate come verificare la presenza di guasti permanenti e intermittenti:

• Come testare le stringhe FV per eventuali guasti a terra intermittenti
• Come testare le stringhe FV per eventuali guasti a terra permanenti
• Come testare i circuiti FV diseccitati per verificare la presenza di guasti a terra

In che modo i guasti a terra possono portare a guasti da arco elettrico

Un guasto a terra può causare un guasto da arco elettrico quando il filo danneggiato crea un percorso ad alta resistenza che produce calore e scintille.

Gli archi DC sono particolarmente pericolosi perché:

• Possono persistere indefinitamente finché l'alimentazione non viene interrotta
• Sono più difficili da estinguere rispetto agli archi AC
• Possono incendiare i materiali circostanti (polvere, plastica, isolamento, erba, materiali del tetto)

Gli array FV ad alta tensione, come quelli che operano a 1000 VDC o 1500 VDC, sono particolarmente sensibili agli archi sostenuti quando si verifica un guasto a terra.

Archi elettrici e sicurezza del personale

Oltre a causare incendi, i guasti a terra DC possono provocare incidenti da scariche ad arco che comportano rischi potenzialmente letali per i tecnici.

Se in un sistema si cela un guasto a terra nascosto, l'apertura di un portafusibili o l'estrazione di un conduttore da un terminale può aprire un circuito con corrente circolante e potenzialmente causare scariche elettriche. Nei casi peggiori, ciò comporta:

• Ustioni gravi
• Danni all'udito
• Lesioni da esplosione
• Danni alle apparecchiature

Questo è il motivo per cui il test della corrente prima di aprire un sezionatore senza interruzione di carico e l'uso di dispositivi di protezione individuale (DPI) è essenziale quando si interviene su sistemi eccitati, anche se il sistema sembra funzionare normalmente.

Per eseguire test in sicurezza, i tecnici devono:

• Testare la corrente nel circuito con un multimetro a pinza senza contatto prima di aprire i sezionatori senza interruzione di carico come portafusibili o interconnessioni di moduli
• Indossare adeguati dispositivi di protezione individuali
  • Guanti isolati elettricamente
  • Indumenti ignifughi
  • Schermi facciali con protezione contro gli archi elettrici o tute intere per archi elettrici, a seconda delle dimensioni del sistema

In che modo i guasti a terra danneggiano le apparecchiature

Oltre alla sicurezza, i guasti a terra compromettano le prestazioni e l'affidabilità delle apparecchiature.

Se non rilevati e riparati, possono:

• Far scattare ripetutamente gli inverter, riducendo i tempi di attività
• Generare dati falsi nei sistemi di monitoraggio
• Provocare corrosione o usura a lungo termine nel punto del guasto
• Distruggere moduli FV, scatole di derivazione o conduttori home run

Inoltre, gli interventi ripetuti dei dispositivi di protezione a causa di guasti non diagnosticati possono mascherare altri problemi e aumentare i costi della manutenzione nel tempo.

L'importanza del rilevamento proattivo

Il modo migliore per evitare che i guasti a terra diventino pericolosi consiste nel rilevamento e nell'isolamento precoci. Strumenti come il multimetro per test di isolamento Fluke 1587 FC, lo strumento multifunzione per impianti fotovoltaici SMFT-1000 e il localizzatore di guasti a terra GFL-1500 consentono ai tecnici di:

• Condurre test di resistenza d'isolamento
• Identificare i conduttori con bassa resistenza a massa
• Isolare le stringhe o i circuiti che presentano problemi prima che si verifichino guasti gravi
• Individuare la posizione esatta del guasto a terra

Imparate come individuare l'origine di un guasto: Come utilizzare le misure di tensione per localizzare i guasti a terra negli array fotovoltaici solari

E quando sono necessarie riparazioni: Come riparare i guasti a terra negli impianti fotovoltaici

Progettazione mirata a un rilevamento più sicuro dei guasti a terra

Le architetture di sistema più recenti contribuiscono a ridurre il rischio di guasti nascosti:

• Gli inverter senza trasformatore utilizzano il rilevamento della corrente residua (RCD) per una migliore sensibilità ai guasti
• L’elettronica di potenza a livello di modulo (MLPE) limita il guasto a un singolo modulo
• I sistemi privi di messa a terra o flottanti riducono la probabilità di percorsi di massa accidentali

Ciò nonostante, queste tecnologie non sono infallibili. Test periodici e documentazione devono essere parte integrante di ogni protocollo di manutenzione.

Considerazioni conclusive

I guasti a terra DC non arrecano semplicemente disturbo, ma costituiscono una minaccia silenziosa per gli impianti FV. Se non rilevati, possono evolversi dando luogo a rischi di incendio, archi elettrici o guasti completi del sistema.

Comprendere perché i guasti a terra sono pericolosi è il primo passo verso lo sviluppo di impianti fotovoltaici più sicuri e affidabili. Il passo successivo consiste nell’intervenire tramite le giuste procedure di test e gli strumenti adeguati.

Informazioni sull’autore

Will White ha iniziato a lavorare nel settore dell’energia solare nel 2005 per un piccolo integratore. Dopo gli inizi come installatore, ha lavorato nelle vendite, nella progettazione e nella gestione progetti, per assumere infine il ruolo di Director of Operations. Nel 2016 è entrato a far parte del corpo docenti incaricato del programma di studi presso Solar Energy International (SEI), dedicandosi allo sviluppo dei contenuti dei corsi e all'insegnamento nel campo dell’energia solare. Nel 2022 si è trasferito in Fluke assumendo il ruolo di Solar Application Specialist, posizione in cui offre supporto alle apparecchiature di test delle energie rinnovabili tra cui tracciacurve I-V, misuratori elettrici e termocamere.

Ha maturato esperienza nei campi dell'energia eolica, del solare termico, dell'accumulo di energia e degli impianti FV su ogni scala. Crede fortemente nell’implementazione di tecniche di installazione di alta qualità e conformi ai codici. Will è un professionista certificato NABCEP per l'installazione di impianti fotovoltaici dal 2006 e in precedenza è stato un installatore certificato NABCEP per il solare termico. Ha conseguito la laurea di primo livello in business management presso il Columbia College a Chicago e un MBA alla University of Nebraska-Lincoln. Trascorre il tempo libero dedicandosi, insieme a moglie e figlia, ai lavoretti sulla loro dimora nel Vermont centrale, una casa di paglia fuori rete.

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