Cos'è un guasto a terra DC in un impianto FV?

Di Will White, Fluke Senior Application Specialist, DER

In qualsiasi impianto fotovoltaico (FV), la sicurezza e i tempi di attività dipendono dalla corretta messa a terra e dal rilevamento dei guasti. Tuttavia, quando l'isolamento si rompe o i conduttori entrano in contatto con i componenti collegati a massa, possono verificarsi guasti a terra DC, che comportano gravi rischi per persone, apparecchiature e produttività.

Un guasto a terra DC è uno dei guasti più comuni, ma spesso fraintesi, negli impianti solari. Questo articolo illustra cos’è un guasto a terra DC, come si verifica, perché è importante e come procedere quando se ne incontra uno sul campo.

Cos'è un guasto a terra?

Un guasto a terra è un collegamento elettrico non intenzionale tra un conduttore percorso da corrente (come un filo positivo o negativo DC) e una superficie con messa a terra, solitamente parti metalliche come telai di moduli, rack o condotti.

Sul lato DC di un impianto FV in genere ciò significa che un conduttore positivo o negativo è a contatto con il conduttore di messa a terra dell'apparecchiatura (EGC) o con altre superfici metalliche dotate di messa a terra.

Nei circuiti AC, può verificarsi un guasto a terra su qualsiasi conduttore non collegato a massa (L1, L2, L3), ma i guasti a terra DC sono specifici per il lato fotovoltaico (pre-inverter) di un array solare.

Dove si verificano i guasti a terra DC?

I guasti a terra DC si verificano con maggiore probabilità in queste aree:

• Nel modulo: un filo danneggiato o schiacciato tocca il telaio del modulo.
• Nel combiner box: rottura dell'isolamento all'interno di terminali o giunzioni.
• Lungo il conduttore home run: le vibrazioni o l’espansione termica causano usura all'interno del condotto o del supporto per cavi
• Durante l'installazione: bordi affilati del rack, instradamento non corretto o dispositivi di fissaggio che pizzicano o abradono i conduttori.
• In condizioni di umidità: l'intrusione di acqua può fare da ponte tra i collegamenti tra i conduttori e le parti collegate a massa.

Questi problemi possono essere difficili da rilevare immediatamente; è proprio per questa ragione che la protezione dai guasti a terra è obbligatoria per tutti gli impianti fotovoltaici (FV) ai sensi degli standard NEC (National Electrical Code) e IEC (International Electrotechnical Commission).

Come appare un guasto a terra DC dal punto di vista elettrico?

Dal punto di vista elettrico, un guasto a terra modifica il profilo di tensione di una stringa o array FV. In condizioni normali, la tensione tra i due conduttori e la massa deve essere pari a zero volt. Ma quando è presente un guasto, si misura una tensione diversa da zero tra uno o entrambi i conduttori e la massa.

Inoltre, sarà comunque possibile misurare la tensione a circuito aperto (Voc) attesa tra i conduttori DC positivo e negativo. Questo è ciò che rende ingannevoli i guasti a terra: potrebbe sembrare che l'array produca energia normalmente anche in presenza di un guasto pericoloso.

Come si verificano i guasti a terra?

In genere i guasti a terra DC sono causati da:

• Danni meccanici: conduttori schiacciati durante l'installazione o il movimento
• Sollecitazioni ambientali: degradazione UV, cicli di temperatura, ingresso di umidità
• Guasti nell'isolamento: invecchiamento, calore o spelatura non corretta dei fili
• Danni da roditori: animali che masticano il cablaggio in condotti o giunzioni

In molti sistemi i guasti si sviluppano lentamente. Un contatto intermittente può passare inosservato finché non diventa un guasto a terra permanente che provoca l'attivazione dell'inverter o danni visibili.

Perché i guasti a terra DC sono pericolosi

I guasti a terra DC non sono semplicemente fastidiosi, ma potenzialmente pericolosi. I guasti a bassa corrente, soprattutto negli impianti FV di grandi dimensioni, spesso non vengono rilevati, cosicché hanno tutto il tempo per aggravarsi.

Se un secondo guasto a terra si sviluppa su un diverso conduttore, può creare un percorso parallelo per la corrente, che può portare a:

• Guasti da arco elettrico
• Incendi elettrici
• Archi elettrici ad alta tensione
• Gravi danni alle apparecchiature

In effetti, nel 2009 un incendio su un tetto di Bakersfield, in California, fu causato esattamente da questo scenario: un guasto a terra, inizialmente di lieve entità, funse da condotto per oltre 300 amp di corrente nel corso di un secondo guasto. Le conseguenze furono la fusione di un conduttore, la bruciatura dell’isolamento e un grave incendio.

Per ulteriori informazioni sui rischi, leggere: Perché i guasti a terra DC sono pericolosi

In che modo vengono rilevati i guasti a terra DC?

Gli inverter devono essere dotati di dispositivi di rilevamento e interruzione dei guasti a terra (GFDI, Ground Fault Detection and Interruption) o protezione dai guasti a terra (GFP, Ground Fault Protection), che rilevano i guasti e spengono l'inverter. Tuttavia, la loro efficacia dipende dal design del sistema:

• Gli inverter con trasformatore impiegano spesso GFDI basati su fusibili, che potrebbero non rilevare guasti inferiori a pochi amp.
• Gli inverter senza trasformatore utilizzano rilevatori di corrente residua (RCD) in grado di rilevare correnti di guasto di soli 300 mA.
• L’elettronica di potenza a livello di modulo (MLPE), come ottimizzatori e microinverter, spesso includono il rilevamento integrato dei guasti a terra a livello di modulo.

Cosa succede dopo che si rileva o sospetta un guasto a terra?

Quando si sospetta un guasto a terra o un inverter si spegne a causa dell'attivazione del GFDI, il passo successivo consiste nell'individuare la causa e procedere alla riparazione in sicurezza.

Per intervenire è possibile fare riferimento a queste guide dettagliate:

• Come testare le stringhe FV per eventuali guasti a terra intermittenti
• Come testare i circuiti FV diseccitati per verificare la presenza di guasti a terra
• Come utilizzare le misure di tensione per localizzare i guasti a terra negli array fotovoltaici solari
• Come eseguire test per verificare la presenza di guasti a terra permanenti negli impianti FV
• Come riparare i guasti a terra negli impianti fotovoltaici

Il ruolo della messa a terra nella prevenzione dei guasti

La messa a terra corretta del sistema è la prima linea di difesa. Di seguito sono riportati i principali componenti definiti dal codice NEC in un impianto FV collegato a massa:

• Conduttore di messa a terra dell'apparecchiatura (EGC): collega tutte le parti metalliche e fornisce un percorso per la corrente di guasto
• Conduttore per la dispersione di massa (GEC): collega il sistema alla terra (in genere tramite una barra di massa conficcata nel terreno)
• Conduttore di messa a terra funzionale: un conduttore che trasporta corrente intenzionalmente collegato a terra in un sistema, in genere il conduttore negativo

Quando si verifica un guasto a terra, la corrente fuoriesce dal circuito previsto e fluisce attraverso l'EGC. Per questo motivo il corretto collegamento, la terminazione e la disposizione dei condotti sono fondamentali per le buone condizioni a lungo termine del sistema.

I guasti a terra sono tutti uguali?

No. Esistono due tipi principali di guasti a terra DC:

• Guasti a terra permanenti: un collegamento a bassa resistenza prolungato che persiste con continuità.
• Guasti a terra intermittenti: un collegamento ad alta resistenza che può presentarsi solo in condizioni specifiche (ad esempio, pioggia, variazioni di temperatura, movimento degli array di tracciamento).

Desiderate approfondire le differenze? Leggete: Qual è la differenza tra un guasto a terra permanente e uno intermittente?

Tecnologie future e prevenzione

Le tecnologie più recenti contribuiscono a ridurre la frequenza e la gravità dei guasti a terra:

• Inverter senza trasformatore che rilevano dispersioni di basso livello
• MLPE che isolano i guasti a livello di modulo
• Test automatici della resistenza d'isolamento all'avvio del sistema o nel corso del funzionamento quotidiano

Riepilogo

Un guasto a terra DC è un problema critico negli impianti FV in cui un conduttore entra accidentalmente in contatto con una superficie metallica con messa a terra. Può causare dispersione di corrente non rilevata, pericolosi guasti da arco elettrico o persino incendi.

Comprendere che cos'è un guasto a terra e come identificarlo, isolarlo e ripararlo, è fondamentale per ogni tecnico del settore dell’energia solare e progettista di sistema. Fortunatamente, con un approccio strutturato e gli strumenti giusti, è possibile diagnosticare i guasti a terra in modo sicuro ed efficiente.

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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