Waarom DC-aardfouten gevaarlijk zijn

Door Will White, senior specialist op het gebied van zonne-energietoepassingen bij Fluke

Aardfouten zijn een van de meest voorkomende problemen in fotovoltaïsche zonnesystemen (PV) en zijn vaak het gevaarlijkst. Wanneer een gelijkstroomgeleider (DC) in een PV-array onbedoeld contact maakt met geaard metaal, veroorzaakt deze een DC-aardfout die kan leiden tot elektrische branden, vlambogen, beschadigde apparatuur en ernstige veiligheidsrisico's voor het personeel.

Ondanks de frequentie ervan blijven veel DC-aardfouten onopgemerkt, vooral in grootschalige of verouderde zonne-energiearrays. Als u begrijpt waarom deze fouten belangrijk zijn en hoe u ze vroegtijdig kunt detecteren, kunt u mensen beschermen, de inzetbaarheid maximaliseren en de betrouwbaarheid van het systeem garanderen.

Hoe treedt een DC-aardfout op?

Een DC-aardfout treedt op wanneer een stroomvoerende geleider (zoals DC-positief of -negatief) in contact komt met een geaard metalen oppervlak, zoals een PV-moduleframe, rek, kabelbuis of de aardingsgeleider (EGC) van de apparatuur. Dit leidt ertoe dat stroom door onbedoelde paden, buiten het ontworpen elektrische circuit, loopt.

Leer de basisprincipes kennen in Wat is een DC-aardfout in een PV-systeem?

Hoewel het systeem niet onmiddellijk wordt uitgeschakeld door één fout, komt er lekstroom binnen die beveiligingsapparaten omzeilt en het risico na verloop van tijd vergroot.

Hoe DC-aardfouten brandgevaar creëren

Het werkelijke gevaar van DC-aardfouten ligt in de combinatie van niet-gedetecteerde lekstroom en de mogelijkheid van een tweede fout.

In een goed geaard systeem creëert de eerste aardfout een pad naar de aarde, maar dit is mogelijk te klein om de aardfoutbeveiliging (GFP) te activeren. Veel fouten zijn zelfs minder dan 1 A, ruim onder de detectiedrempel van oudere GFDI's (aardfoutdetectieonderbrekers).

Als er een tweede fout plaatsvindt in een andere geleider, kunnen de twee fouten een parallel stroompad creëren, waardoor de interne beveiliging van de omvormer wordt omzeild en grote hoeveelheden stroom rechtstreeks door metalen oppervlakken kunnen stromen. Dit kan:

Een DC-vlamboog veroorzaken, wat een veiligheidsrisico vormt voor het personeel
Isolatie en geleiders doen smelten, waardoor apparatuur beschadigd raakt
Omliggende materialen ontsteken, waardoor er brand ontstaat

Casestudie: De Bakersfield-brand in 2009

Een van de meest genoemde PV-brandincidenten die werden veroorzaakt door aardfouten, vond in 2009 plaats in Bakersfield, Californië.

Een daksysteem van 383 kW ondervond een aardfout van 2,5 A op een geleider van 12 AWG. Het systeem bleef werken omdat de stroom te laag was om de GFDI aan te spreken.

Later trad er een tweede storing op: een expansieverbinding werd gescheiden op een 500 MCM-geleider, waardoor een enorme storing van 311 A werd veroorzaakt. In plaats van het circuit veilig te onderbreken, werd de stroom teruggeleid door de oorspronkelijke kleine aardfout, waardoor de geleider snel oververhit raakte en een brand op het dak ontstond.

Dit tragische voorval benadrukt twee kritieke punten:

Kleine fouten zijn niet minder gevaarlijk
Niet-gedetecteerde aardfouten kunnen escaleren tot catastrofale gebeurtenissen

Waarom aardfouten moeilijk te detecteren zijn

De meeste aardfouten, met name intermitterende fouten of fouten op laag niveau, produceren niet genoeg stroom om de standaard aardfoutbeveiliging te activeren, met name in oudere omvormers op basis van transformatoren.

Dit is de reden:

GFDI-beveiliging op basis van zekeringen in transformatoromvormers vereist vaak meerdere ampères om de zekering door te laten branden
Aardlekschakelaars (RCD's) in omvormers zonder transformator zijn gevoeliger, maar hebben nog steeds drempelwaarden (~300 mA of meer)
Omgevingsomstandigheden (bijv. droog weer) kunnen tijdelijk de weerstand verhogen en een fout verbergen
Isolatiedefecten kunnen er alleen toe leiden dat stroom met tussenpozen lekt (bijv. tijdens regen of bij beweging van de tracking-array)

Daarom is proactief testen essentieel. Zelfs als een systeem in bedrijf is, kan het nog steeds met verborgen storingen werken.

Leer hoe u kunt testen op harde en intermitterende fouten:

Hoe aardfouten leiden tot vlambogen

Een aardfout kan een vlamboog veroorzaken wanneer de beschadigde bedrading een pad met hoge weerstand creëert dat warmte en vonken produceert.

DC-vlambogen zijn bijzonder gevaarlijk doordat:

Ze voor onbepaalde tijd kunnen aanhouden tot de stroomtoevoer wordt onderbroken
Ze moeilijker te doven zijn dan AC-vlambogen
Ze omliggende materialen kunnen ontsteken (stof, kunststof, isolatie, gras, dakmaterialen)

Hoogspannings-PV-arrays, zoals arrays die werken op 1000 V dc of 1500 V dc, zijn met name gevoelig voor langdurige vlambogen wanneer zich een aardfout voordoet.

Vlambogen en veiligheid van het personeel

Naast het veroorzaken van branden, kunnen DC-aardfouten leiden tot vlamboogincidenten die levensbedreigende risico's vormen voor technici.

Als een systeem een verborgen aardfout bevat, kan het openen van een zekeringhouder of het verwijderen van een geleider van een aansluiting een circuit met circulerende stroom openen en mogelijk een vlamboog veroorzaken. In het ergste geval leidt dit tot:

Ernstige brandwonden
Gehoorbeschadiging
Ontploffingsletsel
Schade aan apparatuur

Daarom is het testen op stroom vóór het openen van een niet-belaste lastscheidingsschakelaar en het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) essentieel bij het werken aan spanningvoerende systemen, zelfs als het systeem normaal lijkt te werken.

Voor veilig testen moeten technici:

Met een contactloze stroomtang testen op stroom in het circuit voordat de niet-belaste lastscheidingsschakelaars, zoals zekeringhouders of moduleverbindingen, worden geopend
Gebruikmaken van de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen
- Elektrisch geïsoleerde handschoenen
- Vlamwerende kleding
- Gelaatschermen met vlamboograting of volledig vlamboogbestendige pakken, afhankelijk van de grootte van het systeem

Hoe aardfouten apparatuur beschadigen

Aardfouten veroorzaken veiligheidsrisico's en verlagen ook de prestaties en betrouwbaarheid van de apparatuur.

Als deze niet worden gedetecteerd en gerepareerd, kunnen ze:

Omvormers herhaaldelijk uitschakelen, waardoor de inzetbaarheid wordt verminderd
Onjuiste gegevens in bewakingssystemen veroorzaken
Leiden tot corrosie of langdurige slijtage op de plaats van de fout
PV-modules, stroomverdeeldozen of rechtstreeks aangesloten geleiders vernietigen

Bovendien kan herhaaldelijke uitschakeling door niet-gediagnosticeerde storingen andere problemen maskeren en de onderhoudskosten in de loop van de tijd verhogen.

Het belang van proactieve detectie

De beste manier om te voorkomen dat aardfouten gevaarlijk worden, is door vroegtijdige detectie en isolatie. Met instrumenten zoals de Fluke 1587 FC isolatiemultimeter, het multifunctionele instrument SMFT-1000 voor zonne-energie en het GFL-1500 instrument voor het lokaliseren van aardfouten kunnen technici:

Isolatieweerstandstests uitvoeren
Geleiders met een lage weerstand naar aarde identificeren
Probleemreeksen of circuits isoleren voordat er ernstige storingen optreden
De exacte locatie van de aardfout opsporen

Leer hoe de bron van een fout gevonden kan worden: Spanningswaarden gebruiken om aardfouten in zonne-energiearrays (PV) op te sporen

En wanneer reparaties nodig zijn: Aardfouten in PV-systemen verhelpen

Ontwerpen voor een veiligere aardfoutdetectie

Nieuwere systeemarchitecturen helpen het risico op verborgen fouten te verminderen:

Omvormers zonder transformator maken gebruik van aardlekschakelaars (RCD) voor een betere foutgevoeligheid
Vermogenselektronica op moduleniveau (MLPE's) beperken de fout tot één module
Niet-geaarde of zwevende systemen verminderen de kans op onbedoelde aardingspaden

Desondanks zijn deze technologieën niet waterdicht. Regelmatige tests en documentatie moeten deel uitmaken van elk onderhoudsprotocol.

Ter afsluiting

DC-aardfouten zijn niet alleen vervelend, ze vormen een stille bedreiging voor PV-systemen. Als ze niet worden gedetecteerd, kunnen ze zich ontwikkelen tot brandgevaar, vlambogen of volledige uitval van systemen.

Begrijpen waarom aardfouten gevaarlijk zijn, is de eerste stap in de ontwikkeling van veiligere, betrouwbaardere zonne-energie-installaties. De volgende stap is het ondernemen van actie met behulp van de juiste testprocedures en -instrumenten.

Over de auteur

Will White begon in 2005 in de zonne-energiesector te werken voor een klein installatiebedrijf. Hij begon als installateur, groeide door naar de verkoop, was werkzaam op de ontwerpafdeling en later in het projectmanagement. Uiteindelijk is hij operationeel directeur geworden. In 2016 trad hij in dienst bij het curriculumteam van Solar Energy International (SEI), waar hij zich richtte op het ontwikkelen van cursusinhoud en het geven van lessen over zonnesystemen. In 2022 kreeg Will een gespecialiseerde functie voor zonne-energietoepassingen bij Fluke, waar hij de testapparatuur van Fluke voor hernieuwbare energie ondersteunt, zoals IV-curvetracers, elektrische meters en warmtebeeldcamera's.

Will is deskundig op het gebied van windenergie, zonnewarmte, energieopslag en PV's op elke schaal. Hij heeft een passie voor het implementeren van hoogwaardige installatietechnieken die aan de richtlijnen voldoen. Will is sinds 2006 een door NABCEP gecertificeerde PV-installatieprofessional en was voorheen een door NABCEP gecertificeerde installateur van verwarming op zonne-energie. Hij heeft een BA in bedrijfskunde aan Columbia College Chicago en een MBA aan de University of Nebraska Lincoln gehaald. In zijn vrije tijd werkt hij met zijn vrouw en dochter aan hun thuisbasis in centraal Vermont, waar hij off-grid leeft in een huis dat is opgebouwd uit strobalen.

Maak connectie met Will op LinkedIn.