I guasti verso terra sono tra i guasti elettrici più pericolosi negli impianti fotovoltaici. Un array fotovoltaico energizzato dalla luce solare si comporta come una sorgente di corrente: a differenza di un circuito elettrico convenzionale, l'apertura di un interruttore non diseccita il lato CC. Quando si verifica un guasto a terra, la corrente di guasto può fluire in modo continuo, innescando incendi che hanno distrutto tetti, edifici e impianti di grandi dimensioni. La corretta progettazione e verifica delle apparecchiature di interruzione del rilevamento dei guasti a terra (GFDI) e delle apparecchiature di interruzione del circuito per guasti da arco (AFCI) non sono facoltative.
Che cos'è un guasto a terra del fotovoltaico?
Un guasto a terra in un sistema fotovoltaico si verifica quando un conduttore che trasporta corrente (tipicamente un conduttore di stringa CC) entra in contatto con l'involucro, il condotto o la struttura metallica messa a terra, creando un percorso di corrente involontario verso terra. I guasti a terra si verificano a causa di:
- Isolamento del cavo danneggiato (degrado UV, danni da roditori, abrasione meccanica nel condotto)
- Ingresso di acqua nelle scatole di derivazione o nei condotti
- Terminazioni allentate o realizzate in modo errato che consentono il contatto tra conduttore e custodia
- Danni fisici ai moduli: backsheet incrinati che espongono i conduttori
Un guasto a terra sul conduttore negativo di un sistema fotovoltaico con messa a terra negativa (il design tradizionale) crea a secondo motivo - noto come "faglia chiodata". La caratteristica pericolosa dei guasti a terra del fotovoltaico è che l’entità della corrente di guasto dipende dal numero di stringhe in parallelo: un grande array può sostenere più di 100 ampere di corrente di guasto indefinitamente finché è presente la luce solare.
NEC 690.5: Requisiti di protezione dai guasti verso terra
L'articolo 690.5 del National Electrical Code (USA) richiede la protezione dai guasti verso terra per i sistemi fotovoltaici installati su o vicino agli edifici. I requisiti differiscono in base al tipo di sistema:
| Tipo di sistema | Requisito NEC 690.5 |
|---|---|
| Impianti fotovoltaici collegati a terra sugli edifici | Dispositivo GFDI richiesto; deve rilevare una corrente di guasto ≥1 A |
| Impianti fotovoltaici senza messa a terra (flottanti). | È richiesto il rilevamento dei guasti a terra E l'isolamento (entrambi i poli) |
| Fotovoltaico a terra (non sull'edificio) | GFDI richiesto se i conduttori sono accessibili a persone non qualificate |
| Fotovoltaico integrato nell'edificio (BIPV) | GFDI richiesto; si applicano requisiti aggiuntivi di isolamento antincendio |
Il dispositivo GFDI monitora lo squilibrio di corrente tra i conduttori che trasportano corrente e il conduttore di messa a terra dell'apparecchiatura. Quando viene rilevato un guasto a terra, il dispositivo deve: (1) segnalare la condizione di guasto; e (2) disabilitare l'array (aprire il circuito guasto o ridurre la tensione al di sotto della soglia che potrebbe sostenere la formazione dell'arco).
Il paradosso degli “inciampi molesti” e del rischio incendio
I primi sistemi fotovoltaici (precedenti al 2010) utilizzavano fusibili GFDI da 1 A. Un'analisi del Sandia National Laboratories del 2012 ha rilevato una modalità di guasto inquietante: in determinate condizioni di guasto a terra in impianti di grandi dimensioni, il fusibile GFDI poteva bruciarsi senza interrompere la corrente di guasto e il segnale del fusibile bruciato veniva interpretato come "nessun guasto rilevato", lasciando il sistema operativo con un guasto attivo a rischio di incendio. Ciò ha portato alle revisioni NEC del 2014 che richiedono che i dispositivi GFDI non solo rilevino ma interrompano positivamente il guasto.
I moderni inverter di stringa e inverter centrali integrano il rilevamento GFDI all'interno dell'inverter; l'inverter si spegne al rilevamento del guasto. Questo è più affidabile dei fusibili GFDI esterni per sistemi residenziali e piccoli commerciali. Per i sistemi di grandi dimensioni con più quadri elettrici, il monitoraggio aggiuntivo dei guasti a terra a livello del combinatore consente una localizzazione più rapida dei guasti.
NEC 690.11: Requisiti dell'interruttore di circuito per guasto d'arco
I guasti da arco – archi involontari tra conduttori o tra un conduttore e la terra – generano temperature superiori a 5.000°C e sono la principale causa di incendi degli impianti fotovoltaici. NEC 690.11 richiede la protezione AFCI per sistemi fotovoltaici con conduttori di sorgente o circuito di uscita CC operanti a 80 V o più e all'interno o su edifici:
- Il dispositivo AFCI deve rilevare archi elettrici a partire da 500 mA
- Deve interrompersi entro 30 cicli dall'innesco dell'arco
- Deve essere elencato secondo UL 1699B (standard PV AFCI)
- Molti moderni inverter di stringa (serie Sungrow SG, SMA Sunny Boy) integrano AFCI di serie; Sono disponibili anche dispositivi AFCI autonomi per retrofit
Testare la protezione dai guasti a terra
La protezione dai guasti verso terra deve essere testata al momento della messa in servizio e periodicamente durante l'O&M:
- Prova di messa in servizio: con impianto a basso irraggiamento (o utilizzando un dispositivo di ombreggiamento), introdurre un guasto noto a bassa resistenza utilizzando un resistore di prova tra un conduttore di stringa e il conduttore di terra dell'apparecchiatura; verificare che il dispositivo GFDI scatti e indichi un guasto
- Test funzionale annuale: attivare la funzione di test GFDI (integrata nei moderni inverter) e verificare l'allarme e lo spegnimento
- Test di resistenza di isolamento (IR): test Megger annuale (500 V CC, minimo 1 MΩ tra conduttori e terra) per rilevare il degrado dell'isolamento prima che causi un guasto a terra
- Immagini termiche: scansione IR annuale di quadri elettrici, inverter e scatole di giunzione: i punti caldi indicano connessioni ad alta resistenza che possono evolvere in archi