Wat is een DC-aardfout in een PV-systeem?

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

In elk fotovoltaïsch systeem (PV) zijn de veiligheid en inzetbaarheid afhankelijk van de juiste aarding en foutdetectie. Maar wanneer de isolatie kapot raakt of geleiders in contact komen met geaarde componenten, kunnen DC-aardfouten optreden, die ernstige risico's voor mensen, apparatuur en productiviteit met zich meebrengen.

Een DC-aardfout is een van de meest voorkomende, maar vaak verkeerd begrepen storingen in zonne-energie-installaties. In dit artikel wordt uitgelegd wat een DC-aardfout is, hoe deze optreedt, waarom die belangrijk is en wat de vervolgstappen zijn als u in de praktijk met een aardfout te maken hebt.

Wat is een aardfout?

Een aardfout is een onbedoelde elektrische verbinding tussen een stroomvoerende geleider (zoals een DC-positieve of -negatieve draad) en een geaard oppervlak, meestal metalen onderdelen zoals moduleframes, rekken of kabelbuizen.

Aan de DC-zijde van een PV-systeem betekent dit gewoonlijk dat een positieve of negatieve geleider contact maakt met de aardingsgeleider van de apparatuur (EGC) of andere geaarde metalen oppervlakken.

In AC-circuits kan een aardfout optreden op elke niet-geaarde geleider (L1, L2, L3), maar DC-aardfouten zijn specifiek voor de fotovoltaïsche zijde (vóór de omvormer) van een zonne-energiearray.

Waar vinden DC-aardfouten plaats?

DC-aardfouten treden meestal op in de volgende gebieden:

• Bij de module: Een beschadigde of beknelde draad raakt het moduleframe.
• In de combinerbox: Doorslag van de isolatie in aansluitingen of stroomverdeeldozen.
• Langs de rechtstreeks aangesloten geleider: Trillingen en thermische uitzetting veroorzaken slijtage in de kabelbuis of kabelgoot.
• Tijdens de installatie: Scherpe randen van rekken, slechte routering of bevestigingsmiddelen klemmen of schuren geleiders.
• In natte omstandigheden: Binnendringen van water kan verbindingen tussen geleiders en geaarde onderdelen overbruggen.

Deze problemen kunnen moeilijk onmiddellijk te detecteren zijn. Daarom is beveiliging tegen aardfouten verplicht voor alle fotovoltaïsche (PV) systemen volgens de normen van de National Electrical Code (NEC) en de International Electrotechnical Commission (IEC).

Hoe ziet een DC-aardfout er elektrisch uit?

Elektrisch verandert een aardfout het spanningsprofiel van een PV-reeks of -array. Normaal gesproken moet er nul volt zijn tussen een van beide geleiders en de aarde. Maar wanneer er een aardfout aanwezig is, meet u een spanning van nul volt tussen één of beide geleiders en de aarde.

U meet ook nog steeds de verwachte open nullastspanning (Voc) tussen de positieve en negatieve DC-geleiders. Dit maakt aardfouten bedrieglijk: de array lijkt normaal vermogen te produceren, zelfs als er een gevaarlijke aardfout aanwezig is.

Hoe treden aardfouten op?

DC-aardfouten worden gewoonlijk veroorzaakt door:

• Mechanische schade: Geleiders zijn bekneld geraakt tijdens installatie of beweging
• Omgevingsbelasting: Aantasting door uv, temperatuurwisselingen, binnendringing van vocht
• Defecte isolatie: Veroudering, hitte of onjuist strippen van de draad
• Schade door knaagdieren: Dieren die door de bedrading in kabelbuizen of stroomverdeeldozen knagen

In veel systemen ontwikkelen aardfouten zich langzaam. Een intermitterend contact kan onopgemerkt blijven totdat het een harde aardfout wordt die de omvormer uitschakelt of zichtbare schade veroorzaakt.

Waarom DC-aardfouten gevaarlijk zijn

DC-aardfouten zijn niet alleen vervelend, ze zijn potentieel gevaarlijk. Aardfouten met een lage stroomsterkte worden vaak niet gedetecteerd, met name in grote PV-systemen, waardoor de omstandigheden kunnen verslechteren.

Als een tweede aardfout zich voordoet op een andere geleider, kan deze een parallel stroompad creëren, wat kan leiden tot:

• Vlambogen
• Elektriciteitsbranden
• Vlambogen bij hoge spanning
• Ernstige schade aan apparatuur

Een brand in 2009 op een dak in Bakersfield, Californië, werd door precies dit scenario veroorzaakt: een kleine aanvankelijke aardfout werd een kanaal voor meer dan 300 A tijdens een tweede aardfout. Het gevolg was een gesmolten geleider, doorgebrande isolatie en een grote brand.

Lees voor meer informatie over de risico's: Waarom DC-aardfouten gevaarlijk zijn

Hoe worden DC-aardfouten gedetecteerd?

Omvormers moeten aardfoutdetectie- en onderbrekingsapparatuur (GFDI) of aardfoutbeveiligingsapparaten (GFP) bevatten die aardfouten detecteren en de omvormer uitschakelen. De effectiviteit van deze apparatuur is echter afhankelijk van het systeemontwerp:

• Omvormers met transformatoren maken vaak gebruik van op zekeringen gebaseerde GFDI's, die mogelijk geen aardfouten onder een paar ampère detecteren.
• Omvormers zonder transformatoren maken gebruik van aardlekschakelaars (RCD's) die foutstromen van slechts 300 mA kunnen detecteren.
• Vermogenselektronica op moduleniveau (MLPE's), zoals optimizers en micro-omvormers, beschikken vaak over ingebouwde detectie van aardfouten op moduleniveau.

Wat gebeurt er nadat een aardfout is gedetecteerd of wordt vermoed?

Wanneer een aardfout wordt vermoed of een omvormer wordt uitgeschakeld vanwege GFDI-activering, is de volgende stap het lokaliseren en veilig repareren van de bron.

U kunt deze gedetailleerde richtlijnen volgen om actie te ondernemen:

• PV-reeksen testen op intermitterende aardfouten
• Spanningsloze PV-circuits testen op aardfouten
• Spanningswaarden gebruiken om aardfouten in zonne-energiearrays (PV) op te sporen
• Testen op harde aardfouten in PV-systemen
• Aardfouten in PV-systemen verhelpen

De rol van aarding in storingpreventie

Een goede aarding van het systeem is uw eerste verdedigingslinie. Dit zijn de belangrijkste NEC-gedefinieerde componenten in een geaard PV-systeem:

• Aardingsgeleider van apparatuur (EGC) - verbindt alle metalen onderdelen en vormt een pad voor foutstroom
• Aardingselektrodegeleider (GEC) - verbindt het systeem met de aarde (meestal via een in de aarde geslagen aardingspen)
• Functioneel geaarde geleider - een stroomvoerende geleider die opzettelijk is geaard in een systeem, meestal de negatieve geleider

Als er een aardfout optreedt, lekt er stroom uit het bedoelde circuit en stroomt deze door de EGC. Daarom zijn een goede verbinding, afsluiting en indeling van de kabelbuis cruciaal voor de gezondheid van het systeem op de lange termijn.

Zijn alle aardfouten hetzelfde?

Nee. Er zijn twee primaire typen DC-aardfouten:

• Harde aardfouten - een duurzame verbinding met lage weerstand die continu blijft bestaan.
• Intermitterende aardfouten - een verbinding met hoge weerstand die alleen onder specifieke omstandigheden kan optreden (bijv. regen, temperatuurveranderingen, beweging van de tracking-array).

Wilt u dieper in de verschillen duiken? Lees: Wat is het verschil tussen een harde en een intermitterende aardfout?

Toekomstige technologieën en preventie

Nieuwere technologieën helpen de frequentie en ernst van aardfouten te verminderen:

• Omvormers zonder transformatoren die lekken op laag niveau detecteren
• MLPE's die aardfouten isoleren op moduleniveau
• Geautomatiseerde isolatieweerstandstests tijdens het opstarten of dagelijks gebruik van het systeem

Samenvatting

Een DC-aardfout is een kritiek probleem in PV-systemen waarbij een geleider onbedoeld contact maakt met een geaard metalen oppervlak. Dit kan leiden tot onopgemerkte stroomlekkage, gevaarlijke boogstoringen of zelfs brand.

Begrijpen wat een aardfout is, en hoe u deze kunt identificeren, isoleren en repareren, is essentieel voor elke technicus en systeemontwerper van zonne-energiesystemen. Gelukkig kunnen aardfouten met een gestructureerde aanpak en de juiste instrumenten veilig en efficiënt worden gediagnosticeerd.

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.