Rilevamento dei guasti verso terra ad alta impedenza: limitazioni delle soluzioni di diagnostica attiva e GFDI standard

Nelle operazioni e nella manutenzione (O&M) degli impianti solari, gli indicatori di stato degli inverter sono un parametro primario per l'integrità del sistema. Tuttavia, uno stato di funzionamento normale non indica necessariamente un sistema privo di guasti. I dispositivi di interruzione per rilevamento guasto verso terra (GFDI) standard degli inverter hanno soglie di rilevamento progettate per evitare i falsi interventi. Di conseguenza, le correnti di dispersione inferiori a queste soglie potrebbero non essere rilevate.

Sebbene siano spesso insufficienti a provocare un arresto, queste correnti possono però causare nel lungo termine il deterioramento dell'isolamento, nonché danni alle apparecchiature. Questo articolo esamina le limitazioni tecniche del GFDI standard, la fisica dei guasti ad alta impedenza e le sfide pratiche legate alla loro individuazione in array a 1500 V. Esplora inoltre la transizione dalla ricerca guasti invasiva alla diagnostica attiva senza contatto, illustrando come la tecnologia di iniezione del segnale permetta di identificare i guasti nascosti per migliorare l'efficienza operativa e la longevità degli impianti.

I limiti dei dispositivi GFDI standard

La protezione standard dai guasti verso terra impiega in genere uno di questi due metodi: rilevamento basato su fusibili (comune negli inverter centrali con trasformatore) o rilevatori di corrente residua (RCD) (comuni negli inverter a stringa senza trasformatore).

Entrambi i sistemi funzionano in base a soglie minime di amperaggio. I sistemi basati su fusibili richiedono in genere una corrente di guasto di 1 A o più per aprire il circuito. Gli RCD sono generalmente più sensibili, con soglie di rilevamento spesso intorno ai 300 mA. Tuttavia, i guasti causati da una lenta rottura dell'isolamento, dall'ingresso di umidità o da abrasioni del cablaggio iniziano spesso come connessioni ad alta impedenza con correnti di dispersione ben al di sotto di questi livelli (es. da 50 mA a 100 mA).

Dal punto di vista elettrico, questa dispersione rimane al di sotto della soglia di intervento e viene trattata dall'inverter come una normale dispersione di funzionamento. Dal punto di vista fisico, tuttavia, la corrente attraversa le superfici e genera calore, portando alla carbonizzazione e a ulteriori danni all'isolamento.

I fattori ambientali, come la rugiada mattutina, possono abbassare temporaneamente la resistenza di un guasto, consentendo il passaggio della corrente. Quando l'umidità evapora, la resistenza aumenta e il guasto diventa impercettibile al monitoraggio passivo. Il danno fisico al conduttore rimane, potenzialmente peggiorando a ogni ciclo termico.

I rischi dei guasti non rilevati

Un singolo guasto verso terra in un sistema con messa a terra flottante o ad alta impedenza blocca il potenziale del conduttore guasto verso terra. Anche se il sistema può continuare a funzionare, questa condizione crea un percorso di ritorno per la corrente se si verifica un secondo guasto.

Se si sviluppa un secondo guasto verso terra su un conduttore di polarità opposta, la corrente può aggirare il carico dell'inverter e i meccanismi di protezione del dispositivo GFDI. Questo crea un cortocircuito c.c. attraverso la scaffalatura o il condotto dell'array.

Limiti dei metodi tradizionali di risoluzione dei problemi

Quando si sospetta un guasto verso terra, la procedura standard di risoluzione dei problemi spesso prevede l'isolamento delle stringhe. I tecnici misurano la tensione in una combiner box, quindi scollegano fisicamente le stringhe in sequenza per isolare il guasto.

Nei sistemi a 1.500 V, questo processo introduce rischi specifici. I ripetuti cicli di accoppiamento e disaccoppiamento dei connettori MC4 possono portare al deterioramento delle guarnizioni e dei contatti, comportando il potenziale ingresso di umidità o l'aumento della resistenza. Inoltre, il metodo tensione verso terra richiede l'esecuzione di calcoli manuali da parte dei tecnici per stimare la posizione del guasto.

In aggiunta, gli strumenti passivi come i multimetri digitali o i tester di resistenza di isolamento presentano delle limitazioni operative in questo contesto: i multimetri digitali identificano la presenza di tensione ma non localizzano la perdita, mentre i tester di resistenza di isolamento forniscono una caratterizzazione accurata dell'isolamento, ma richiedono la diseccitazione del sistema e l'isolamento dei circuiti, con conseguente aumento dei tempi di configurazione.

I guasti intermittenti rappresentano una sfida specifica per gli strumenti passivi. Se l'acqua o l'umidità che determina un guasto attivo si asciuga, al momento dell'arrivo del tecnico le letture di tensione e resistenza possono risultare normali. Gli strumenti passivi non possono localizzare un guasto che non sia elettricamente attivo al momento del test. La Tabella 1 presenta un confronto tra questi metodi di test standard e i metodi avanzati di localizzazione dei guasti verso terra.

Tabella 1: Perché i metodi di test tradizionali spesso non riescono a localizzare efficacemente i guasti intermittenti o ad alta impedenza. (Immagine per gentile concessione di Fluke)

Diagnostica attiva con GFL-1500 di Fluke

Il localizzatore di guasti verso terra GFL-1500 di Fluke Electronics è una soluzione completa per la risoluzione dei problemi progettata per gli impianti fotovoltaici su scala industriale e commerciale. Come illustrato nella Figura 1, il kit comprende tre componenti essenziali: il trasmettitore per l'iniezione del segnale tracciabile, il ricevitore per la localizzazione dei guasti lungo il percorso del cavo e la pinza amperometrica di tracciamento del segnale per isolare le stringhe difettose senza scollegare i conduttori.

Figura 1: Il localizzatore di guasti verso terra GFL-1500 di Fluke comprende il trasmettitore, il ricevitore e la pinza amperometrica di tracciamento del segnale per la localizzazione dei guasti verso terra end-to-end. (Immagine per gentile concessione di Fluke)

Per il rilevamento dei guasti ad alta impedenza che possono sfuggire ai dispositivi GFDI standard e agli strumenti passivi, i tecnici possono ricorrere alla diagnostica attiva. Questo metodo prevede l'iniezione di un segnale nel sistema per tracciare il percorso del guasto. Il localizzatore di guasti verso terra GFL-1500 di Fluke utilizza questo approccio.

Il dispositivo GFL-1500 utilizza la tecnologia FaultTrack™ per iniettare un segnale di frequenza modulata nel sistema c.c.. Funziona a 6,25 kHz per il tracciamento dei guasti e a 32,764 kHz per il rilevamento dei circuiti aperti. Queste frequenze mantengono il segnale distinto, assicurando un rilevamento accurato anche in ambienti elettricamente rumorosi dove la chiarezza del segnale è tipicamente ridotta.

Per mantenere la sicurezza durante il tracciamento sotto tensione garantendo al contempo l'intensità del segnale, il trasmettitore regola la sua corrente di uscita in base alla modalità selezionata. In modalità Array HIGH, fornisce 30 mA RMS, mentre in modalità Unit HIGH può fornire fino a 120 mA RMS. Inoltre, il trasmettitore è a doppia alimentazione: può funzionare utilizzando la tensione c.c. dell'array o le sue batterie interne, garantendo un'iniezione di segnale costante, che la stringa sia in tensione o meno. Ciò consente ai tecnici di tracciare i guasti su lunghe distanze senza generare livelli di corrente pericolosi.

Il dispositivo dispone di una funzione "Analyze" che caratterizza il guasto prima di iniziare l'isolamento fisico. Collegando il trasmettitore alla combiner box, lo strumento misura la resistenza di dispersione e la tensione verso terra. Il sistema classifica la resistenza di guasto in intervalli specifici (es. ≈ <5 kΩ, 10 kΩ, 50 kΩ, fino a >1 MΩ), consentendo ai tecnici di visualizzare la gravità dell'impedenza ignorata dall'inverter. La Figura 2 illustra un esempio di questi risultati diagnostici sul display del trasmettitore.

Figura 2: Il display classifica la resistenza del guasto (es. <5 kΩ) e misura la tensione verso terra, consentendo ai tecnici di caratterizzare il guasto prima di procedere al tracciamento. (Immagine per gentile concessione di Fluke)

Costruiti per le condizioni più difficili sul campo, il trasmettitore e il ricevitore sono classificati IP54 per la resistenza alla polvere e agli spruzzi e funzionano in un intervallo di temperatura compreso tra -20 e +50 °C. La pinza amperometrica in dotazione presenta un'apertura delle ganasce di 61 mm, in grado di accogliere conduttori di grandi dimensioni come i cavi di rete da 500 MCM. Inoltre, il ricevitore offre un raggio di rilevamento fino a 4,75 m in modalità Array, consentendo ai tecnici di tracciare cavi in rack sopraelevati o canaline profonde da una distanza di sicurezza.

Flusso di lavoro per il tracciamento non invasivo del segnale

GFL-1500 consente di localizzare i guasti senza scollegare i connettori ad alta tensione. Il flusso di lavoro tipico è il seguente:

1. Analisi - Il tecnico collega il trasmettitore GFL-1500 ai condotti sbarra positivo e negativo e al terminale di terra della combiner box o dell'inverter, come illustrato nella Figura 3. La funzione "Analyze" esegue un test diagnostico per confermare la presenza di un guasto verso terra e misurarne la resistenza.

Figura 3: Cablaggio di GFL-1500 per l'analisi e l'iniezione del segnale. (Immagine per gentile concessione di Fluke)

2. Iniezione - Il tecnico avvia l'iniezione del segnale. GFL-1500 invia un tono attraverso il sistema. Questa operazione può essere eseguita su sistemi sotto tensione (fino a 1500 V).
3. Tracciamento - Utilizzando la pinza di tracciamento del segnale di GFL-1500, il tecnico esegue una scansione dei cavi. La pinza amperometrica rileva il tono sulla stringa specifica che trasporta la corrente di guasto, consentendo al tecnico di identificare il circuito guasto tra le stringhe in parallelo senza scollegare i fili. Il ricevitore portatile può essere utilizzato anche per il tracciamento, anche se potrebbe essere necessario isolare le stringhe in parallelo per identificare chiaramente i rami.

Figura 4: Identificazione del percorso del guasto attivo tra più circuiti in parallelo utilizzando la pinza amperometrica senza scollegare i fusibili. (Immagine per gentile concessione di Fluke)

4. Localizzazione - Il tecnico segue il segnale lungo la stringa identificata utilizzando il ricevitore. Per un rilevamento preciso, il dispositivo deve essere orientato perpendicolarmente al conduttore, come mostrato nella Figura 5. L'intensità del segnale indica la posizione del guasto e il tono si interrompe o cambia nel punto esatto del guasto. Il ricevitore fornisce un'indicazione dell'intensità del segnale non solo visiva con le barre sul display, ma anche uditiva con l'emissione di un suono di tonalità variabile, consentendo al tecnico di sentire la posizione del guasto pur continuando a tenere gli occhi sul terreno o sui pericoli in alto.

Figura 5: Per localizzare il guasto, il ricevitore deve essere tenuto perpendicolarmente al percorso del cablaggio per massimizzare il rilevamento del segnale. (Immagine per gentile concessione di Fluke)

Nota: prima di effettuare qualsiasi collegamento, è necessario seguire scrupolosamente le procedure di sicurezza standard, come la verifica dei livelli di corrente con uno strumento come la pinza amperometrica 393 FC di Fluke.

Conclusione

Gli indicatori di stato dell'inverter forniscono dati operativi, ma non offrono una garanzia di sicurezza completa. Con l'invecchiamento degli impianti solari e la diffusione dei sistemi a 1.500 V, l'identificazione dei guasti ad alta impedenza diventa sempre più importante per la sicurezza e la longevità del sistema.

L'adozione di strumenti di diagnostica attiva, come GFL-1500 di Fluke, consente ai team di O&M di rilevare i guasti che non rientrano nelle soglie di rilevamento degli inverter. Questo approccio riduce il ricorso a metodi di ricerca guasti invasivi, preserva l'integrità del cablaggio e attenua i rischi associati al mancato rilevamento dei guasti verso terra.