Belang van het testen van aardingsfouten in PV-systemen

Elke elektrische installatie moet getest worden om te verzekeren dat men deze veilig gebruiken en bedienen kan. Inspecties en tests zijn daarom van zeer groot belang om zich te beschermen en te verdedigen tegen elektrische ongevallen.

Zonne-energie-installaties kunnen hoge gelijkspanning produceren. De schokken van gelijkstroombronnen zijn bijzonder gevaarlijk en de verbindingen met hun aardingscomponenten kunnen verschillende risico’s inhouden zoals elektrische schokken voor personen die zich in de nabijheid bevinden, brand in geval van defecten, overdracht van door bliksem veroorzaakte overspanningen en de aanwezigheid van elektromagnetische storingen.

Een veilige en gemakkelijke manier voor het uitvoeren van tests en voor het vermijden van conventionele methoden (waarbij men het circuit moet onderbreken om een tester aan te sluiten), is het gebruik van een stroomtang, omdat die onderbreking hier niet nodig is. Sommige tests kunnen uitgevoerd worden zonder de panelen buiten dienst te stellen, en ook het risico op schokken wordt aanzienlijk verminderd.

Via een Bluetooth-optie kunt u metingen op afstand opslaan en monitoren en tests uitvoeren, terwijl u een elektrisch veilige afstand ten opzichte van boogfoutgevaren, ontladingen van lucht naar aarde of van lucht naar fase kunt behouden.

De DCM1500S verstuurt via Bluetooth de gemeten waarden in real time via de Megger Link App naar een smartphone of tablet, en de MIT430/2 en MIT2500 downloaden de opgeslagen gegevens op een computer via de Megger Download Manager. De DCM1500S beantwoordt volledig aan de eisen van IEC 61010 voor applicaties van CAT III 1000 V en CAT IV 600 V. Dit apparaat kan spanningen tot 1500 V AC en tot 2000 V DC meten, evenals stromen tot 1500 A in AC en DC. Voorts heeft de DCM1500S een MC4PV plug voor gelijkstroommeting van zonnepanelen, evenals standaardmeetsnoeren.

Anderzijds zijn de MIT430/2 en MIT2500 CATIV 600 V testers stevige en lichte handtesters met een testspanning tot 2500 Vdc en een meetweerstand tot 200 GΩ.

Aardaansluitingen in PV-systemen

Er zijn twee basistypes van aardaansluitingen, en hier kan er meer aardlekkage optreden.

Zwevende systemen

De zwevende systeem- of apparaataarding is een ondergronds systeem dat niet-stroomvoerende geleidende onderdelen met de aarde verbindt, zoals de fotovoltaïsche moduleframes, structuren, behuizingen, rekken, aansluitdozen, leidingen en alle andere metalen componenten.

Veel installaties gebruiken modules van klasse II, gelijkstroomkabels & -connectoren van klasse II en worden verbonden met het net met behulp van een omvormer met een scheidingstransformator. Dankzij deze methode kan het arrayframe blijven zweven. Het is belangrijk te weten dat accidentele aardlekkage zich kan voordoen ten gevolge van defecte apparatuur of beschadigde isolatie.

De zwevende systemen vereisen speciale omvormers met mogelijkheid tot arrayfoutdetectie, en vereisen bedradingsbeveiliging, stroomonderbrekers, overstroombeveiliging en aardfoutbeveiliging in beide niet-geaarde gelijkstroomgeleiders.

Aardsysteem

Een aardsysteem of systeemaarding is een systeem dat een stroomvoerende geleider in een elektrisch systeem verbindt met de aarde of aardpotentiaal.

Een array-uitgangskabel of geleideraarding wordt verbonden met de aarde. In dit geval wordt een equipotentiaalverbinding met de aarde gemaakt met één van de gelijkstroomgeleiders onder spanning. Hier treedt geplande aardlekkage op ten gevolge van het ontwerp van de apparatuur. De PV-systemen moeten standaard uitgerust zijn met een apparatuuraarding en meestal ook met een systeemaarding.

In aardsystemen, waarbij een aardfoutconditie gedetecteerd wordt door de stroomafgifte in een geaarde geleider en aardelektrode, wordt het circuit geopend en geeft de omvormer een aardfoutalarm weer. De verbinding tussen de geaarde geleider en het aardelektrodesysteem wordt normaal via de aardfoutbeveiliging gemaakt.

Valt te noteren dat directe of nabije blikseminslagen ook schade kunnen veroorzaken. Tevens kunnen er overspanningen op de PV-arraygeleiders of de wisselstroomkabels geïnduceerd worden.

Testen van de aardfoutlocatie

Inspecties en tests van PV-systemen moeten regelmatig uitgevoerd worden om te verzekeren dat ze veilig en functioneel blijven tijdens de operationele levensduur.

Het is belangrijk om toegang te hebben tot de oorspronkelijke geregistreerde gegevens en metingen van het systeem van de eerste inbedrijfstelling, inclusief alle wijzigingen van componenten. Deze oorspronkelijke geregistreerde gegevens kunnen immers helpen bij het vergelijken van systeemwijzigingen en het identificeren van problemen die preventieve of corrigerende maatregelen vereisen.

Er zijn zes tests die op PV-systemen vaak uitgevoerd worden:

1. Visuele inspectie

Deze inspectie is nuttig om onvolledige installatiedetails te identificeren en de naleving van de plaatselijk geldende standaardeisen te valideren. Dergelijke inspectie dient voor het identificeren van fysieke schade, wijziging of degradatie van de apparatuur door de effecten van de omgevingsvoorwaarden, extreme temperaturen, stof, corrosie, vocht evenals schade veroorzaakt door knaagdieren en nestelende dieren.

2. Testen van de continuïteit

Deze test controleert of er een gepaste equipotentiaalverbinding bestaat met de aardingssystemen tussen de fotovoltaïsche moduleframes, structuren,
geleiders, aansluitingen en andere eindverbindingen in spanningsloze circuits.

Controleer of de aardelektrodegeleider continu is en of alle onomkeerbare aftakkingen, lasverbindingen of andere verbindingen gemaakt zijn met aanvaarde methoden. Valideer ook de verbinding van de aardelektrodegeleider met de aardelektrode. Test ook de continuïteit van de equipotentiaalverbinding in de metalen kabelgoten, behuizingen, frames, fittings en andere componenten die dienstdoen als apparatuuraardingsgeleiders. De elektrische continuïteit kan verloren gegaan zijn door een ongepaste mechanische installatie. Test de elektrische continuïteit tussen het geaarde broncircuit van de PV-array en de uitgangscircuitgeleiders naar de aardelektrodegeleider, vooral wanneer de apparatuur verwijderd wordt voor onderhoud of vervanging.

3. Testen van de polariteit

Deze test controleert de juiste polariteit voor de PV-gelijkstroomcircuits en de juiste eindverbindingen voor de DC-gebruiksapparatuur, door de spanning te meten op de circuits onder spanning vooraleer de onderbrekers te sluiten en het systeem te bedienen. Deze test moet gevalideerd worden op de PV-modules, PV-broncircuits, PV-uitgangscircuits, onderbrekers, batterij- en ladingsbesturingscircuits, ingangseindverbindingen van de omvormer en elektrische ladingen. Het is belangrijk om de polariteit van elk broncircuit en de volledige PV-voeding te testen vooraleer deze aan te sluiten op om het even welke gelijkstroomapparatuur. Het omkeren van de polariteit van een arrayverbinding met een batterij kan leiden tot ernstige materiële en lichamelijke schade.

4. Testen van de spanning en stroom

Deze tests controleren of de PV-array en het PV-systeem functioneren binnen de verwachte inbedrijfstellings- en fabricagespecificaties van de apparatuur, door de spanning en stroom in de gelijkstroom- en wisselstroomcircuits van het PV-systeem te testen vooraleer de onderbrekers te sluiten en het systeem te bedienen. Deze test controleert de wisselspanning en fasen aan de stroomvoorziening, de wisselstroomeindverbindingen van de omvormer en de onderbrekers. Deze test controleert ook de gelijkspanning en juiste polariteit voor de PV-arraybron, de uitgangscircuits en de gelijkstroomonderbrekers. Test ook, indien van toepassing, de gelijkspanningen en juiste polariteiten op de batterijen, batterijladers en -regelaars.

Testen van de nullastspanning
Deze test kan ook gebruikt worden om de juiste polariteit van de PV-arraybron te controleren. De tests van de nullastspanning (Voc) vereisen geschikte testers die wissel- en gelijkspanningen van meer dan 600 V kunnen meten.

Het testen van meerdere strings kan verschillen in spanningswaarden binnen de 5 % tussen elke fotovoltaïsche array aantonen. Ongepaste arraybekabeling, beschadigde PV-modules of bypassdiodes kunnen een indicatie zijn van lagere geteste spanningen. Deze waarden kunnen ook beïnvloed worden door de temperatuur en straling op het moment van de test. Daardoor kunnen de spanningen veranderen in een bereik van 2,5 % voor elke wijziging met 10 °C in de moduletemperatuur.
Om foutieve strings te identificeren, moet u de nullastspanning van alle strings controleren. Deel de spanning van één van de goede strings door het aantal modules in serie om de spanning van de module te bepalen. Bijvoorbeeld: Voc = 500 V; 10 modules in serie; Voc per module = 500 V gedeeld door 10 modules = 50 Vdc per module.

De modules in de meeste PV-broncircuits zijn in serie; daardoor kan de aardfoutlocatie gebaseerd zijn op de spanning van de foutieve string. Bijvoorbeeld: meten op een foutieve string, Vocf = 400 V; 400 V gedeeld door 50 Vdc per module = 8 modules; de foutlocatie kan 8 modules terug van de hoogspanningszijde (uitgangszijde) van de string zijn.

Testen van de kortsluitstroom
Deze test wordt uitgevoerd op de PV-stringbroncircuits om een juiste werking van het systeem te garanderen. Deze test van de kortsluitstroom (Isc) vereist testers die gelijkstromen van meer dan 10 A kunnen meten, evenals het gebruik van geschikte kortsluitapparaten om een test veilig uit te voeren.

De kortsluitstroom van een PV-array is proportioneel met de zonnestraling op het systeem. Dit type tests moet kort en bij heldere hemel uitgevoerd worden en de PV-modules moeten vrij van stof of schaduw zijn. Het testen van de diverse strings moet aanvaardbare verschillen binnen de 5 % tussen elke PV-array aantonen.

5. Testen van de isolatieweerstand

Deze test identificeert fouten binnen de PV-arrays en systeemcircuits, en detecteert degradatie en fouten in de isolatie van de bedrading, evenals de integriteit van de bekabeling en apparatuur. De isolatieweerstand wordt gecontroleerd door een constante testspanning op een geleider aan te brengen en de stroomafgifte tussen de spanningsloze systeemgeleiders of tussen een geleider en de aarde te meten.

Een geleider met hoge isolatiekwaliteit zal normaal hogere weerstandswaarden meten. Lekstromen kunnen het risico op elektrische schokken verhogen, waardoor het systeem beschadigd raakt en er levensgevaar kan ontstaan. Verkeerde of beschadigde installaties, evenals veel ongunstige omgevingsfactoren, zonlicht, vocht, nestelende dieren en insecten, mechanische invloeden en trillingen zijn veel voorkomende redenen voor beschadiging van de isolatie van de bedrading.

Aangezien de spanningen aangebracht op het testbereik variëren van 50 Vdc tot 5000 Vdc, moeten alle circuits vóór het testen van elkaar geïsoleerd worden en vóór en na het uitvoeren van de test ontladen worden. De aardings- of equipotentiaalverbindingen moeten aangesloten blijven, terwijl de apparatuur voor overspanningsonderdrukking van alle circuits verwijderd moet worden. Zorg voor een betrouwbaar elektrisch en mechanisch contact tussen de meetsnoeren en de geteste circuits, omdat sommige aansluitingen geslepen of gevijld moeten worden.

Deze test kan op twee manieren uitgevoerd worden:
• Tussen de positieve gelijkstroomgeleider en de aarde, en tussen de negatieve gelijkstroomgeleider en de aarde.
• Tussen de kortgesloten positieve en negatieve gelijkstroomgeleiders en de aarde. Deze test vereist gepaste kortsluitapparaten om een test veilig uit te voeren.

In niet-geaarde of zwevende systemen, waar de modules en structuren niet voorzien zijn van metalen draagstructuren of frames met een equipotentiaalverbinding met de aarde, moet deze test tussen de arraykabels en de aarde, en tussen de arraykabels en het frame uitgevoerd worden.

Voor PV-systemen met bedrijfsspanningen hoger dan 120 V, wordt een isolatieweerstand van 1 MΩ of hoger als aanvaardbaar beschouwd, terwijl in PV-systemen met bedrijfsspanningen lager dan 120 V de minimum isolatieweerstandswaarde van 0,5 MΩ als aanvaardbaar beschouwd wordt. Indien één of meer afgelezen waarden een weerstand aangeven die 1/10de of minder bedraagt dan de aanvaardbare waarden, kan dit een indicatie zijn voor een beschadigde geleider of module.

6. Testen van de aardlekstroom

Indien de systemen uitgerust zijn met RCD’s of RCBO’s, laat deze test toe om uitschakelproblemen te detecteren, die gerelateerd kunnen worden aan een overgevoelige RCD of RCBO. Deze test controleert of de beveiligingsapparaten op een lagere stroom werken dan deze gespecificeerd door het systeemontwerp of de fabrikant van het apparaat. Deze apparaten monitoren de stroom in de lijngeleiders en vergelijkt deze met de retourstroom in de nulgeleider. Indien er een verschil is dat de gevoeligheidsinstelling in mA van het apparaat overschrijdt, zal het uitschakelen en het circuit openen.

Deze test wordt uitgevoerd waar er toegang is tot geleiders onder spanning en nulgeleiders, en aan aangesloten apparatuur, en deze meet de aardlekstroom met een stroomtang. De stroomtang wordt alleen rond de lijn- en nulgeleiders geklemd, en deze meet het verschil tussen de lijn- en nulstromen, hetgeen de aardlekstroom is. De omgevingsvoorwaarden en het type bekabeling gebruikt in het systeem kunnen invloed hebben op de prestaties van het apparaat en de metingen gedurende de test.

Het testen van afzonderlijke arrays van het PV-systeem kan helpen bij het identificeren van de aardlekproblemen. Wanneer men niet nagaat of de lekkage opzettelijk of niet opzettelijk is, ten gevolge van een fout, zullen ook een verdere locatie en corrigerende maatregelen vereist zijn.

Ontdek het overzicht van PV-Instrumenten

Afkortingen

DC: Gelijkstroom
AC: Wisselstroom
PV-systemen: Fotovoltaïsche systemen
Klasse II: Duidt op een dubbel geïsoleerd elektrisch apparaat, dat zodanig ontworpen is dat het geen veilige aansluiting op de elektrische aarding (aarde) nodig heeft. Is van toepassing op draagbare gereedschappen en met een stekker verbonden apparatuur die niet permanent aangesloten zijn op het net.
CAT III: Deze categorie heeft betrekking op de metingen op bedrade apparatuur in vaste installaties, verdeelkasten en stroomonderbrekers. De meetcategorie III is voor apparatuur die aangesloten is tussen de gebruikersunit en de stopcontacten.
CAT IV: Deze categorie heeft betrekking op de installatiebron of de metingen op nutsniveau op primaire overstroombeveiligingen en rimpelcontrole-units. De meetcategorie IV is voor apparatuur die aangesloten is tussen de bron van het laagspanningsnet buiten het gebouw en de verbruikersunit.
MC4PV plug: Type connector met 1 contact die vaak gebruikt wordt om zonnepanelen aan te sluiten.
Voc: Nullastspanning
Vdc: Volt gelijkstroom
Vocf: Nullastspanning op een foutieve string
Isc: Kortsluitstroom
A: Eenheid van Ampère
I: Symbool van elektrische stroom
mA: Milliampère
V: Eenheid van Volt
V:  Symbool van elektrische spanning
MΩ: Megaohm
GΩ: Gigaohm
SPD's: Overspanningsbeveiligingen
RCD’s: Reststroomapparaten
RCBO’s: Reststroomonderbrekers met overstroombeveiliging

Bron: Megger, Application Note - Importance of testing ground faults in PV systems