Realizarea împământării panourilor solare fără erori

Una dintre cele mai critice sarcini, dar totodată una dintre cele mai des neglijate, în procesul de instalare a sistemelor fotovoltaice este realizarea corespunzătoare a împământării electrice. Un sistem de împământare realizat incorect sau incomplet nu numai că poate provoca pagube materiale semnificative, dar reprezintă și un pericol direct de accident — fie că este vorba de electrocutare, incendiu sau supratensiune cauzată de fulgere. În acest articol vom analiza pas cu pas de ce este esențială realizarea corespunzătoare a împământării panourilor solare, cum se desfășoară acest proces atât în cazul sistemelor nou construite, cât și al celor existente, și ce standarde și reglementări definesc cadrul de execuție. Vă arătăm cum trebuie efectuată măsurarea rezistenței la împământare, din ce etape constă un proces de proiectare corect și care sunt erorile tipice — de la alegerea greșită a cablurilor până la echilibrarea incompletă a potențialului — care apar la majoritatea sistemelor. La sfârșitul articolului, o recomandare specifică SOLARKIT vă ajută să verificați împământarea invertorului, astfel încât sistemul instalat să respecte din toate punctele de vedere normele în vigoare.

De ce este importantă realizarea corectă a împământării sistemului fotovoltaic?

Sistemul fotovoltaic nu este alcătuit doar din panouri solare, invertoare și cabluri. Baza siguranței electrice a întregului sistem o constituie împământarea electrică — acesta este elementul căruia i se acordă cea mai puțină atenție în foarte multe instalări, și totuși majoritatea accidentelor se datorează tocmai lipsei sau defectelor acestuia.

În sistemul fotovoltaic, împământarea nu este doar un detaliu tehnic, ci baza întregului concept de siguranță. În timpul funcționării normale, în mod ideal, nu trece curent prin ea — devine importantă atunci când ceva nu se întâmplă conform planurilor: defect de izolație, eveniment de tip fulger, supratensiune sau scurtcircuit. În aceste situații, un sistem de împământare realizat corespunzător este singura garanție că oamenii și echipamentele pot fi protejați.

Împământarea corespunzătoare este unul dintre cele mai importante elemente ale protecției împotriva contactului accidental. Rolul său este ca, în cazul unei defecțiuni, tensiunea periculoasă să fie condusă în siguranță către pământ, iar în cazul sistemelor fotovoltaice acest rol este deosebit de important. 

Unii furnizori de energie electrică condiționează autorizația de conectare la rețea a sistemelor fotovoltaice de existența unui proces-verbal care să ateste măsurarea protecției împotriva contactului accidental. Aceasta înseamnă că o împământare neconformă poate avea nu numai consecințe de siguranță, ci și consecințe juridice: sistemul nu poate primi autorizația de conectare la rețea.

Cum funcționează împământarea?

Esența împământării constă în conectarea anumitor părți ale sistemului electric la pământ, astfel încât, în cazul unei defecțiuni — de exemplu, o defecțiune de izolație sau un scurtcircuit —, curentul să poată fi deviat în siguranță în sol. Acest lucru împiedică creșterea tensiunii la un nivel periculos pe echipamente sau pe ansambluri și reduce riscul de electrocutare.

Egalizarea potențialului este un element cheie al protecției împotriva contactului electric, strâns legat de împământare. Esența acesteia constă în conectarea tuturor părților conductoare de dimensiuni mari — conducte metalice de apă, conducte de gaz, sisteme de încălzire, structuri de clădiri cu schelet metalic — la clema principală de împământare. Astfel se asigură că între aceste obiecte metalice nu se poate forma o diferență de potențial periculoasă în caz de defect, evitându-se electrocutarea rezultată din contactul dintre cele două puncte.

În cazul sistemelor fotovoltaice, toate acestea sunt completate de particularitățile părții de curent continuu: sistemele fotovoltaice trebuie considerate întotdeauna sub tensiune pe partea de curent continuu (cu excepția sistemelor echipate cu optimizatori de decuplare DC amplasați sub panouri), chiar și atunci când sistemul este deconectat de la partea de curent alternativ. Aceasta este o diferență fundamentală față de o rețea casnică tradițională și un motiv esențial pentru care împământarea sistemului fotovoltaic trebuie realizată cu o atenție deosebită.

Realizarea împământării în sistemul fotovoltaic

Realizarea împământării într-un sistem fotovoltaic nu constă doar în instalarea unui singur cablu — este o sarcină complexă, la nivel de sistem, în care toate elementele sunt interconectate. În sistemul fotovoltaic există un singur sistem comun de împământare: la acesta sunt conectate atât structura de susținere, carcasa invertorului, cât și conductoarele de protecție de pe partea de curent continuu. Egalizarea potențialului asigură că, în cazul unui eveniment de fulger, nu se formează o diferență de tensiune periculoasă între diferite puncte ale sistemului.

În practică, trebuie coordonate trei elemente principale. În primul rând, structura de susținere: șinele de aluminiu de pe acoperiș și elementele de fixare din oțel formează o suprafață metalică continuă, de mare întindere, care trebuie conectată la șina principală de împământare. Unul dintre punctele panourilor solare și ale structurilor de susținere de pe acoperiș trebuie conectat la sistemul de împământare pentru protecție împotriva trăsnetului și la nodul principal EPH al clădirii cu un cablu de cupru cu o secțiune de cel puțin 16 mm². În al doilea rând, invertorul: conductorul de protecție al invertorului trebuie conectat direct la șina principală de împământare, cu o secțiune transversală adecvată, evitând soluțiile în serie. În al treilea rând, partea de curent continuu (DC): împământarea corespunzătoare a descărcătoarelor de supratensiune și a cutiilor AC/DC preasamblate este, de asemenea, esențială pentru funcționarea sigură a sistemului.

Materialul și dimensiunea sondei de împământare — care asigură contactul fizic cu solul — trebuie adaptate la condițiile locale. Tipul solului, conținutul de umiditate și structura acestuia influențează semnificativ valoarea rezistenței măsurate și, în multe cazuri, este necesară conectarea mai multor electrozi pentru a obține un rezultat adecvat. Este important ca sonda să nu funcționeze ca o insulă independentă, ci să devină parte a întregului sistem prin conectarea la șina principală de împământare.

Realizarea și măsurarea în condiții de siguranță a împământării ulterioare

În cazul clădirilor existente, unde intenționați să instalați un sistem fotovoltaic, realizarea împământării ulterioare necesită o atenție specială. La instalarea unui nou sistem fotovoltaic, se constată adesea că împământarea existentă nu corespunde cerințelor actuale și necesită completări sau reparații.

Procesul de realizare a împământării ulterioare constă, de obicei, în următoarele etape: electricianul evaluează mai întâi sistemul existent, apoi — în funcție de caracteristicile solului și ale imobilului — instalează o împământare cu sonde sau cu inel. În funcție de condițiile locale ale solului, se recomandă utilizarea sondelor de împământare cu tijă zincată la foc, sondele trebuind să fie înfipte la o adâncime de cel puțin 3 metri, sub limita de îngheț. Urmează introducerea noului cablu de împământare, apoi efectuarea și documentarea măsurătorilor — rezistența de împământare a sondei instalate trebuie măsurată în toate cazurile, iar dacă valoarea nu este adecvată, sonda trebuie adâncită, în cazuri extreme chiar până la o adâncime de 5–7 metri.

Instalarea și conectarea la rețea a împământării ulterioare nu este în niciun caz o sarcină de bricolaj — aceasta trebuie încredințată întotdeauna unui electrician calificat.

Ce norme se aplică în cazul împământării?

Siguranța electrică a sistemelor fotovoltaice este reglementată de standarde internaționale, care sunt adoptate în mod uniform de statele membre ale Uniunii Europene și de numeroase alte țări — fie că poartă prefixul MSZ, DIN, ČSN, SRPS, HRN sau alt prefix național. Prin urmare, indiferent de locul de instalare, trebuie să se respecte aceleași cerințe de bază.

Principala referință pentru instalațiile electrice ale sistemelor fotovoltaice este standardul internațional IEC 60364-7-712. Acest document se referă la instalațiile electrice ale sistemelor fotovoltaice, acoperind totul de la modulele fotovoltaice până la tabloul de distribuție sau punctul de racordare la rețeaua publică, incluzând și cerințele de instalare a sistemelor de stocare a energiei — de exemplu, bateriile. Standardul impune ca toate părțile metalice ale sistemului fotovoltaic — rame de module, structuri de susținere — să fie conectate la sistemul de conductor de protecție (PE), asigurând echilibrarea potențialului.

În domeniul protecției împotriva trăsnetului, seria de standarde IEC 62305 este cea de referință, fiind adoptată de statele membre ale UE sub denumirea EN IEC 62305. Aceasta se bazează pe o metodologie bazată pe risc: trebuie să se determine dacă este necesară protecția împotriva trăsnetului și, dacă da, la ce nivel de protecție, ținând cont de dimensiunile și conținutul instalației respective, de densitatea locală a trăsnetelor și de posibilele daune. Anexa D a standardului se referă în mod specific la proiectarea protecției împotriva trăsnetului pentru sistemele fotovoltaice, incluzând și regulile de împământare a cadrelor panourilor.

Proiectarea conductoarelor de împământare îngropate în sol este reglementată de IEC 60364-5-54. În cazul sistemelor fotovoltaice, rezistența de împământare recomandată trebuie să fie, în general, sub 10 ohmi, carcasele modulelor, structurile de susținere și alte mase metalice trebuie conectate la un sistem de echilibrare a potențialului, iar împământările sistemului de protecție împotriva trăsnetului și ale sistemului electric trebuie interconectate. Nivelul de protecție IP este, de asemenea, un aspect reglementat: în cazul cutiilor, conectorilor și echipamentelor de exterior, alegerea gradului de protecție adecvat este o condiție de bază pentru fiabilitatea pe termen lung.

Etapele proiectării unui sistem de împământare adecvat

Realizarea împământării panourilor solare nu poate începe prin înfingerea sondei — trebuie să fie rezultatul unui proces bine structurat, în care fiecare etapă se bazează pe cea precedentă. Calitatea proiectării determină în mod direct dacă sistemul va fi cu adevărat sigur și conform standardelor sau dacă îndeplinește cerințele doar pe hârtie.

1. Evaluarea sistemului existent și a amplasamentului. În primul rând, trebuie stabilit dacă clădirea dispune deja de un sistem de protecție împotriva trăsnetului, deoarece de aceasta depinde modul de realizare a echilibrării potențialelor. În paralel, este recomandat să se evalueze și tipul de sol: tipul de sol, conținutul de umiditate și structura acestuia influențează semnificativ valoarea rezistenței măsurate — în solul umed și argilos este mult mai ușor să se obțină un rezultat adecvat decât în solul uscat, pietros sau nisipos.

2. Măsurarea rezistenței specifice a solului. Este recomandabil să se efectueze această analiză înainte de proiectarea unui nou sistem. Măsurarea rezistenței specifice a solului trebuie efectuată înainte de proiectarea unui nou sistem de împământare — cea mai răspândită metodă este procedura Wenner, în cadrul căreia patru sonde sunt amplasate la distanțe egale în sol, iar rezistența specifică a solului poate fi calculată pe baza rezistenței măsurate. Această valoare determină numărul de sonde necesare și adâncimea la care trebuie înfipte.

3. Proiectarea și realizarea sistemului de împământare. Toate părțile metalice ale sistemului fotovoltaic trebuie conectate în formă de stea: fiecare element structural separat trebuie conectat la conducta principală printr-o bară colectoare EPH, care se întinde până la sonda de împământare, apoi se conectează la sistemul de împământare existent al clădirii.

4. Realizarea echilibrării potențialului. Pământarea sistemului fotovoltaic funcționează bine dacă se integrează în sistemul complet de echilibrare a potențialului al clădirii și nu apare ca o soluție separată — în cazul unui fulger sau al unei defecțiuni, cel mai mare pericol nu este apariția unei tensiuni ridicate într-un singur punct, ci formarea unei diferențe mari de potențial între două părți metalice apropiate una de cealaltă.

Măsurarea rezistenței la împământare

După finalizarea lucrărilor, măsurarea rezistenței la împământare este o etapă obligatorie, iar rezultatul acesteia trebuie documentat. Măsurarea rezistenței la împământare necesită instrumente speciale — cele mai răspândite metode sunt procedura în trei puncte și cea în patru puncte, în cadrul cărora se plasează sonde în sol, instrumentul aplică tensiune între ele și măsoară rezistența. În cazul sistemelor fotovoltaice, valoarea așteptată trebuie să fie, de obicei, sub 10 ohmi, iar în cazul sistemelor mai mari instalate la sol, rezistența rezultată sub 1 ohm este cea de referință. Dacă rezistența măsurată crește în timp cu mai mult de 20-30% față de valoarea inițială, aceasta trebuie verificată și, dacă este necesar, redusă prin adăugarea sau înlocuirea unor electrozi de împământare suplimentari. 

Erori frecvente în realizarea împământării panourilor solare

Marea majoritate a erorilor de împământare ale sistemelor fotovoltaice nu reprezintă o problemă unică, care apare o singură dată — aceleași greșeli tipice, omisiuni și decizii de economisire apar din nou și din nou în timpul execuției lucrărilor. În continuare, vom trece în revistă cele mai frecvente și, în același timp, cele mai periculoase erori de împământare. 

Alegerea necorespunzătoare a cablurilor și a conectorilor

Sistemul de împământare este la fel de puternic ca cel mai slab punct de conectare al său. În locurile în care conductorul este expus în mod special la intemperii — în special în apropierea sistemului fotovoltaic, unde temperatura poate urca până la 60–70 de grade Celsius —, se recomandă utilizarea unui conductor din aluminiu, cu o secțiune de cel puțin 16 mm², deoarece are o izolație exterioară mai durabilă decât omologul său din cupru. În celelalte cazuri, trebuie instalat un cablu de cupru cu o secțiune de minimum 6 mm².

O eroare și mai insidioasă apare atunci când se consideră că fixarea mecanică a structurii de susținere este suficientă pentru a asigura contactul electric. Stratul de aluminiu anodizat sau o suprafață vopsită întrerupe ușor conexiunea electrică — aceasta nu este o chestiune estetică, ci un parametru electric măsurabil. În multe cazuri, se poate întâmpla ca rama metalică a panoului solar să nu fie în contact adecvat cu structura de susținere, ceea ce poate provoca, de asemenea, o diferență de potențial — o soluție adecvată pentru aceasta o oferă elementele de fixare prevăzute cu țepi EPH, care se înfig în rama metalică a modulului în timpul montării, creând conexiunea conductoare necesară.

Egalizarea potențialului incompletă sau realizată necorespunzător

Dacă structura de susținere nu este conectată la sistemul de împământare, aceasta rămâne la potențial flotant: în cazul unui eveniment de fulger, poate acumula tensiune, iar în cazul unei defecțiuni, prezintă un risc de electrocutare. Defecțiunea de împământare este deosebit de periculoasă, deoarece în condiții normale de funcționare este complet invizibilă — se manifestă doar atunci când cineva atinge piesa metalică aflată sub tensiune.

Descărcătoarele de supratensiune de pe partea de curent continuu și protecțiile de pe partea de curent alternativ funcționează eficient numai cu o împământare adecvată — și întrerupătoarele de protecție împotriva curentului pot declanșa eficient numai dacă sistemul de împământare este configurat corespunzător. Prin urmare, egalizarea defectuoasă a potențialului nu numai că reprezintă un pericol direct pentru viață, dar afectează și eficiența tuturor celorlalte dispozitive de protecție.

Neglijarea protecției împotriva trăsnetului și a supratensiunii

O omisiune frecventă este aceea că, la instalare, nu se montează o împământare adecvată, întrerupătoare de decuplare și descărcătoare de supratensiune. Fără protecție la atingere, o eventuală defecțiune de izolație poate provoca electrocutarea oricărei persoane care atinge sistemul. Fără protecție la supratensiune, un fulger sau o supratensiune de rețea poate distruge echipamentele casei și componentele sistemului fotovoltaic.

Descărcătorul de supratensiune nu funcționează deloc fără împământare: dacă impedanța căii de descărcare este mare, protecția este doar aparentă. În plus, descărcătoarele de supratensiune nu sunt veșnice — după un eveniment major, acestea trebuie înlocuite, de aceea starea lor trebuie verificată periodic.

Recomandarea SOLARKIT: Verificarea împământării invertorului

Invertorul este centrul electronic al sistemului fotovoltaic: acest dispozitiv transformă curentul continuu produs de panouri în curent alternativ care poate fi realimentat în rețea și îndeplinește simultan funcțiile de protecție la atingere, de măsurare și de comunicare. Tocmai de aceea, verificarea împământării invertorului este unul dintre cele mai importante și mai des neglijate pași — atât înainte de punerea în funcțiune, cât și în timpul inspecțiilor periodice.

Sistemele fotovoltaice trebuie considerate întotdeauna sub tensiune pe partea de curent continuu, chiar și atunci când sistemul este deconectat de la partea de curent alternativ. Prin urmare, verificarea protecției la atingere trebuie efectuată separat, pe partea de curent continuu și pe partea de curent alternativ.

În timpul verificării împământării invertorului, merită să se țină cont de următoarele aspecte. Mai întâi, asigură-te că conductorul de protecție este conectat direct la șina principală de împământare, și nu prin intermediul altui echipament. În al doilea rând, verificați cuplajul conexiunilor și absența coroziunii la punctele de conectare — o conexiune oxidată sau slăbită poate ceda tocmai în cazul unei defecțiuni, când ar fi cea mai mare nevoie de ea. În al treilea rând, verificați indicatorii de stare ai descărcătoarelor de supratensiune: descărcătoarele de supratensiune nu sunt veșnice — după un eveniment major, acestea trebuie înlocuite, de aceea indicatorii lor de stare trebuie verificați periodic, altfel următoarea descărcare ar putea afecta componentele electronice fără protecție.

Obligația de a efectua și documenta inspecția este prevăzută de standardul internațional EN IEC 62446-1, aplicat în Europa și în numeroase alte țări. Acest standard definește documentația care trebuie predată clientului după instalarea sistemului fotovoltaic conectat la rețea, testele de punere în funcțiune și criteriile de verificare care atestă instalarea în siguranță și funcționarea corectă a sistemului, fiind aplicabil și pentru reinspecțiile periodice. Dacă inspecția nu se efectuează, performanța sistemului poate scădea treptat, riscul de electrocutare și de scurtcircuit poate crește, iar în anumite cazuri asiguratorii pot respinge cererile de despăgubire dacă sistemul nu a fost întreținut corespunzător.

Cutiile AC/DC preconfigurate și descărcătoarele de supratensiune disponibile în magazinul online SOLARKIT sunt soluții gata de utilizare care îndeplinesc din fabrică cerințele standard de împământare și protecție, reducând astfel semnificativ riscul de erori la fața locului și facilitând, de asemenea, munca electricianului.

Întrebări frecvente privind împământarea panourilor solare

Este obligatorie împământarea sistemului fotovoltaic sau este suficientă o izolație de bună calitate?

Izolația sistemului fotovoltaic și împământarea reprezintă două straturi de protecție diferite și complementare — niciunul nu poate înlocui celălalt. Pe partea de curent continuu a sistemelor fotovoltaice, echipamentul trebuie considerat întotdeauna ca fiind sub tensiune, chiar și atunci când este deconectat de la partea de curent alternativ — de aici rezultă că, din punct de vedere al protecției la atingere, împământarea panourilor solare este o cerință de siguranță fundamentală, nu un accesoriu opțional. În cazul sistemelor conectate la rețea, documentația privind protecția împotriva contactului accidental și certificarea rezistenței de împământare măsurate constituie condiții pentru obținerea autorizației de conectare.

Ce înseamnă simbolul de împământare și unde îl găsesc în sistem?

Pe schemele electrice și pe echipamentele electrice, simbolul de împământare este reprezentat de o linie orizontală paralelă, orientată în jos, formată din linii paralele orizontale din ce în ce mai scurte. În cazul sistemelor fotovoltaice, acest simbol indică punctele de conectare ale conductorului de protecție atât la invertor, cât și la cutiile de distribuție și la punctele de împământare ale structurii de susținere. Clemă principală de împământare este elementul central al sistemului de împământare — aici se conectează toate conductoarele de împământare și conductoarele de legătură de protecție, iar aceasta asigură potențialul zero și stabilitatea sistemului electric. Cunoașterea simbolului de împământare ajută la orientarea în documentația sistemului și în procesele-verbale de inspecție.

Este necesară realizarea unei împământări ulterioare dacă locuința dispune deja de o împământare?

Nu neapărat, dar sistemul existent trebuie în orice caz evaluat și verificat prin măsurători înainte de conectarea sistemului fotovoltaic. La instalarea unui nou sistem fotovoltaic se constată adesea că împământarea existentă nu corespunde cerințelor actuale și necesită completări sau reparații. Dacă valoarea măsurată este prea mare, poate fi necesară o nouă sondă de împământare sau o protecție suplimentară — acest lucru este valabil în special în cazul clădirilor mai vechi, cu rețea electrică neremisiată. Realizarea împământării ulterioare este, în toate cazurile, sarcina unui electrician calificat.

La ce intervale trebuie efectuată verificarea împământării la un sistem fotovoltaic?

Standardul internațional EN IEC 62446-1 prevede că, înainte de punerea în funcțiune a unui sistem fotovoltaic conectat la rețea, este obligatoriu să se efectueze o verificare electrică completă și să se documenteze rezultatele, iar același standard se aplică și pentru reexaminările periodice. Pe durata de viață a sistemului, rezistența la împământare se poate modifica din când în când sub influența stării solului, a proceselor de coroziune și a îmbătrânirii conectorilor. Dacă, în timpul măsurătorilor periodice, valoarea rezistenței de împământare crește cu mai mult de 20-30% față de valoarea inițială, aceasta trebuie verificată și, dacă este necesar, remediată prin adăugarea de electrozi de împământare suplimentari.

Poate funcționa eficient protecția împotriva supratensiunii fără o împământare adecvată a panourilor solare?

Nu. Protecția împotriva supratensiunii nu funcționează fără o împământare adecvată: dacă impedanța căii de descărcare este ridicată, energia nu se disipă prin împământare, ci încearcă să-și găsească o cale prin echipament. Aceasta înseamnă că, în cazul unui sistem de împământare prost realizat sau incomplet, eficiența descărcătoarelor de supratensiune și a tuturor celorlalte dispozitive de protecție scade drastic, iar energia generată de fulger poate ajunge direct în invertor sau în electronica de control a panourilor. Prin urmare, o împământare adecvată a panourilor solare nu este doar un element de protecție independent, ci și o condiție de bază pentru funcționarea eficientă a tuturor celorlalte soluții de protecție.