Las fallas a tierra se encuentran entre las fallas eléctricas más peligrosas en los sistemas fotovoltaicos. Un conjunto fotovoltaico energizado por la luz solar se comporta como una fuente de corriente; a diferencia de un circuito eléctrico convencional, abrir un disyuntor no desenergiza el lado de CC. Cuando ocurre una falla a tierra, la corriente de falla puede fluir continuamente, provocando incendios que han destruido tejados, edificios y conjuntos de servicios públicos. El diseño y las pruebas correctos de los equipos de interrupción de detección de falla a tierra (GFDI) y de interrupción del circuito de falla de arco (AFCI) no son opcionales.
¿Qué es una falla a tierra fotovoltaica?
Una falla a tierra en un sistema fotovoltaico ocurre cuando un conductor que transporta corriente (generalmente un conductor de cadena de CC) entra en contacto con la estructura, conducto o carcasa metálica conectada a tierra, creando una ruta de corriente no deseada a tierra. Las fallas a tierra ocurren debido a:
- Aislamiento del cable dañado (degradación por rayos UV, daño por roedores, abrasión mecánica en el conducto)
- Entrada de agua en cajas de conexiones o conductos
- Terminaciones sueltas o hechas incorrectamente que permiten el contacto entre el conductor y el gabinete.
- Daño físico a los módulos: láminas posteriores agrietadas que exponen los conductores
Una falla a tierra en el conductor negativo de un sistema fotovoltaico negativo a tierra (el diseño tradicional) crea una segundo terreno - conocido como "falla atornillada". La característica peligrosa de las fallas a tierra fotovoltaicas es que la magnitud de la corriente de falla depende del número de cadenas en paralelo: un conjunto grande puede soportar más de 100 amperios de corriente de falla indefinidamente mientras haya luz solar presente.
NEC 690.5: Requisitos de protección contra fallas a tierra
El artículo 690.5 del Código Eléctrico Nacional (EE. UU.) exige protección contra fallas a tierra para sistemas fotovoltaicos instalados en edificios o cerca de ellos. Los requisitos difieren según el tipo de sistema:
| Tipo de sistema | Requisito NEC 690.5 |
|---|---|
| Sistemas fotovoltaicos puestos a tierra en edificios | Se requiere dispositivo GFDI; debe detectar una corriente de falla ≥1 A |
| Sistemas fotovoltaicos sin conexión a tierra (flotantes) | Se requiere detección de falla a tierra Y aislamiento (ambos polos) |
| Fotovoltaico montado en el suelo (no en el edificio) | Se requiere GFDI si los conductores son accesibles a personas no calificadas |
| Fotovoltaica integrada en el edificio (BIPV) | Se requiere GFDI; Se aplican requisitos adicionales de aislamiento contra incendios. |
El dispositivo GFDI monitorea el desequilibrio de corriente entre los conductores que transportan corriente y el conductor de puesta a tierra del equipo. Cuando se detecta una falla a tierra, el dispositivo debe: (1) indicar la condición de falla; y (2) desactivar el conjunto (abrir el circuito defectuoso o reducir el voltaje por debajo del umbral que mantendría la formación de arco).
La paradoja de los "tropezones molestos" y el riesgo de incendio
Los primeros sistemas fotovoltaicos (anteriores a 2010) usaban fusibles GFDI con capacidad de 1 A. Un análisis de Sandia National Laboratories de 2012 encontró un modo de falla preocupante: bajo ciertas condiciones de falla a tierra en conjuntos grandes, el fusible GFDI podría fundirse sin interrumpir la corriente de falla, y la señal del fusible fundido se interpretó como "no se detectó falla", dejando al sistema funcionando con una falla activa con riesgo de incendio. Esto llevó a que las revisiones de NEC de 2014 requirieran que los dispositivos GFDI no solo detectaran sino que interrumpieran positivamente la falla.
Los inversores de cadena y los inversores centrales modernos integran la detección de GFDI dentro del inversor; el inversor se apaga al detectar una falla. Es más confiable que los fusibles GFDI externos para sistemas residenciales y comerciales pequeños. Para sistemas grandes a escala de servicios públicos con múltiples cajas combinadoras, el monitoreo adicional de fallas a tierra en el nivel del combinador proporciona una localización de fallas más rápida.
NEC 690.11: Requisitos del interruptor de circuito por falla de arco
Las fallas de arco (arco involuntario entre conductores o entre un conductor y tierra) generan temperaturas que superan los 5000 °C y son la principal causa de incendios en sistemas fotovoltaicos. NEC 690.11 requiere protección AFCI para sistemas fotovoltaicos con fuente de CC o conductores de circuito de salida que funcionan a 80 V o más y dentro o sobre edificios:
- El dispositivo AFCI debe detectar arcos tan bajos como 500 mA
- Debe interrumpirse dentro de los 30 ciclos posteriores al inicio del arco.
- Debe estar listado según UL 1699B (estándar PV AFCI)
- Muchos inversores string modernos (serie Sungrow SG, SMA Sunny Boy) integran AFCI de serie; Los dispositivos AFCI independientes también están disponibles para modernizaciones.
Prueba de protección contra fallas a tierra
La protección contra falla a tierra debe probarse durante la puesta en servicio y periódicamente durante la operación y mantenimiento:
- Prueba de puesta en marcha: con el sistema con baja irradiancia (o usando un dispositivo de protección solar), introduzca una falla conocida de baja resistencia usando una resistencia de prueba entre un conductor de cuerda y el conductor de tierra del equipo; verificar que el dispositivo GFDI se dispara e indica falla
- Prueba funcional anual: activar la función de prueba GFDI (integrada en los inversores modernos) y verificar la alarma y el apagado
- Prueba de resistencia de aislamiento (IR): Prueba Megger anual (500 V CC, mínimo 1 MΩ entre conductores y tierra) para detectar la degradación del aislamiento antes de que cause una falla a tierra.
- Imagen térmica: Escaneo IR anual de cajas combinadoras, inversores y cajas de conexiones: los puntos calientes indican conexiones de alta resistencia que pueden progresar a arcos.