Lekstromen en PV-installaties

Waarom schakelt de aardlekschakelaar van een PV groep uit? Waarom geeft een omvormer een foutmelding vanwege te hoge lekstroom? En waarom zou je dubbel geïsoleerde panelen moeten aarden? Deze vragen worden vaak gesteld tijdens onze cursussen en lezingen. Onderstaande metingen ‘in het echt’ hebben geholpen om echte antwoorden te geven. Dat bewijst maar weer dat zelf meemaken, en in dit geval zelf meten, een van de betere manieren is om iets te leren en over te brengen aan anderen.

De onderstaande meting hebben we uitgevoerd op de zonnestroom installatie van Hemmink. Maar eerst nog even een stukje theorie over het vervangend schema van een zonnepaneel.

Hiernaast een schets van een zonnepaneel: cellen met een rand van aluminium. Hierin is het vervangend elektrisch schema getekend: tussen de plus en de min van het paneel gedraagt het paneel zich als een condensator. Vanaf de cellen naar de framerand is het gedrag als een condensator met parallel daaraan een weerstand.

Een condensator laat geen DC stroom door. Hoe kan er een capacitieve lekstroom vanaf een ‘DC deel’ via een condensator naar aarde lopen?

Een bekende storing of klacht bij PV-installaties is dat de aardlekschakelaar (voor beveiliging van de groep) uitschakelt, waarschijnlijk door een te hoge lekstroom. Hoe kan dat? Als we naar het elektrisch schema kijken zien we dat er sprake is van een weerstand en condensator. Je zou er van uit gaan dat er een gelijkspanning op de panelen staat. Dus via de condensator zou dat geen lekstroom op moeten leveren. Is de ohmse weerstand naar aarde dan te laag?

Meten is weten, ook in dit geval. Om te laten zien wat er gebeurt aan de AC en de ‘DC-zijde’ van de omvormer hebben we onderstaande meting uitgevoerd.

Meetopstelling en meting

We hebben een meting uitgevoerd met de OX7204 oscilloscoop van Metrix, met 4 gescheiden ingangen. In deze meetopstelling meten we met drie meetkanalen:

1. De spanning tussen Fase en Nul op de AC zijde van de omvormer (U L-N)
2. De spanning tussen Plus en Aarde aan de DC zijde van de omvormer (U Plus-PE)
3. De stroom in de string van de omvormer

Resultaat is het onderstaande beeld van de Metrix OX7204.

Legenda

1. 100 V/div
2. 200 V/div
3. 2,5 A/div

Kanaal 1, de rode lijn, is de netspanning met een RMS spanning van 230 V en een topwaarde van ongeveer 325 Volt. De groene lijn, kanaal 2, is een DC spanning, de spanning tussen PLUS en PE. Opvallend is dat deze spanning met een frequentie van 50 Hz wisselt, boven de nul lijn. Dit zelfde geldt voor de spanning tussen MIN en PE, deze bevindt zich echter onder de nullijn. Er staat dus een wisselspanning component op de zonnepanelen!

De stroom in kanaal 3 is een mooie DC stroom.

Gemeten is aan een trafo-loze omvormer, deze heeft dus geen galvanische scheiding. Deze ‘wisselende gelijkspanning’ is typerend voor trafo-loze omvormers.

In de onderstaande meting (op een ander tijdstip met meer instraling en dus met een hogere stroom) hebben we de meting op kanaal 2 (groen) gewijzigd naar meting tussen PLUS en MIN. Dit is dus een keurige DC spanning van ongeveer 500 V. Ten opzichte van aarde wisselt de spanning, onderling zijn de beide spanningen in fase en is het een vlakke gelijkspanning.

We hebben ook een meting uitgevoerd met de C.A 8336 Power Quality analyzer. Onder het beeld met de PLUS (groen) en MIN (rood) ten opzichte van aarde bij het opstarten van de omvormer. Daarnaast een afbeelding met dezelfde aansluiting en de omvormer in bedrijf.

De beide gelijkspanningen hebben dus een wisselspanning component van 50Hz en zijn met elkaar in fase.

Waarom loopt er een lekstroom?

Trafo-loze omvormers zijn niet galvanisch gescheiden van het net. Zoals te zien is in bovenstaande metingen: ongeveer de halve netspanning wordt door de omvormer op het ‘DC’ gedeelte gezet wanneer de omvormer gekoppeld is met het net.

Er staat een wisselspanningen op de zonnepanelen…

Zonnepanelen gedragen zich als een condensator naar aarde. Bij een zuivere gelijkspanning ten opzichte van aarde zou er geen stroom van PLUS (of MIN) naar aarde lopen. Omdat de spanning ten opzichte van aarde een wisselspanning deel bevat loopt er stroom van de panelen naar aarde.

De grootte van de stroom naar aarde is afhankelijk van de spanning en de capaciteit. De capaciteit is afhankelijk van het type paneel en van vocht. Vaak zijn panelen in de ochtend nog vochtig (condens), dit vergroot de capaciteit van de condensator en dus de lekstroom. Als panelen warmer worden zal de condenslaag verdwijnen.

Een trafo-loze omvormer met ingebouwde aardlekbeveiliging bewaakt deze lekstroom. De omvormer stelt de grenswaarde van de uitschakelstroom in op het moment van inschakelen. Simpel gezegd wordt eerst de lekstroom gemeten en dan wordt de grenswaarde ingesteld. De omvormer tolereert dus een bepaalde lekstroom. Dit betekent dat er constant lekstromen kunnen lopen vanaf PLUS en MIN naar aarde.

De grootte van de lekstroom is ook afhankelijk van het type omvormer en de wisselspanning component die deze op het ‘DC gedeelte’ zet. Zie hiervoor bijvoorbeeld de onderstaande informatie van SMA waarin driefasen trafo-loze omvormers met een minder grote wisselspanning component worden omschreven.

Wel aarden dus

Ondanks het feit dat panelen dubbel geïsoleerd zijn (klasse II) kunnen zonnepanelen dus wel degelijk lekken naar aarde. De lekstroom kan bijvoorbeeld schrikreacties tot gevolg hebben. Daarvoor wijzen NEN 1010 en NPR 5310 er op om de geleidende draagconstructie van panelen te voorzien van potentiaalvereffening.

Meten aan PV installaties

Voor het meten aan PV installaties biedt het Zeker Meten-team van Hemmink diverse meetinstrumenten, zoals PV installatietesters en stroomtangen.

Bekijk de testers