Una de las creencias más extendidas en el ámbito de las instalaciones eléctricas es que el sistema de puesta a tierra siempre debe conducir grandes corrientes cuando ocurre una falla. Sin embargo, en los sistemas fotovoltaicos modernos, esta afirmación no siempre es correcta.

La evolución de los inversores, especialmente la incorporación masiva de equipos sin transformador (transformerless), ha modificado considerablemente el comportamiento de las fallas a tierra, particularmente en el lado de corriente continua (CC). En consecuencia, la función del sistema de puesta a tierra ha evolucionado desde ser únicamente un camino para las corrientes de falla hacia convertirse en un elemento esencial para la protección de las personas, la equipotencialidad, la coordinación de protecciones y la protección frente a sobretensiones.

En este artículo se analiza cuándo la puesta a tierra conduce corrientes elevadas, cuándo no lo hace y cuál es su verdadera función dentro de una instalación fotovoltaica.

La magnitud de la corriente que puede circular por el sistema de puesta a tierra depende principalmente de:

• La topología del sistema fotovoltaico.
• El tipo de inversor instalado.
• La forma en que está referenciado el sistema respecto de tierra.
• El tipo de falla.
• El lado donde ocurre la falla (CC o CA).

En la mayoría de las instalaciones fotovoltaicas actuales, la respuesta es clara:

La puesta a tierra normalmente no conduce corrientes elevadas durante una primera falla a tierra en el lado de corriente continua.

Comportamiento del lado CC

Actualmente, la mayoría de los inversores utilizados en instalaciones residenciales, comerciales e industriales son inversores sin transformador (transformerless).

En estos equipos:

• El conductor positivo (+) no está conectado directamente a tierra.
• El conductor negativo (−) tampoco está conectado directamente a tierra.
• El circuito de corriente continua permanece eléctricamente flotante respecto de tierra, o conectado únicamente mediante una impedancia muy elevada.
• El inversor incorpora un sistema permanente de supervisión del aislamiento (Insulation Monitoring).

En otras palabras, ninguno de los polos del generador fotovoltaico constituye un camino directo hacia tierra.

¿Qué ocurre durante una primera falla a tierra?

Supongamos que el conductor positivo entra en contacto accidentalmente con la estructura metálica de un módulo.

Intuitivamente, podría pensarse que circulará una gran corriente hacia tierra, pero en realidad ocurre algo muy diferente.

Como el sistema CC está flotante:

• No existe un camino de baja impedancia hacia la fuente;
• La corriente queda limitada por:
  • Las capacitancias parásitas del arreglo fotovoltaico respecto del terreno;
  • La resistencia de aislamiento de los conductores;
  • La electrónica interna del inversor.

Como consecuencia, la corriente de falla suele ser muy pequeña, normalmente del orden de miliamperios o algunos amperios, insuficiente para provocar el disparo de un fusible o interruptor automático convencional.

Por esta razón, en una primera falla a tierra el conductor de protección (PE) con un inversor son transformador, generalmente no transporta una corriente elevada de cortocircuito.

En lugar de esperar una gran corriente de falla, el inversor detecta la disminución de la resistencia de aislamiento y genera una alarma o se desconecta automáticamente para evitar que la condición evolucione hacia una falla más peligrosa.

¿Por qué la primera falla no produce un gran cortocircuito?

Para que exista una corriente importante deben cumplirse dos condiciones:

• una fuente de tensión;
• un camino eléctrico cerrado de baja impedancia.

En un sistema CC flotante solo existe la primera condición.

Al faltar un camino de retorno de baja impedancia hacia el generador, la corriente queda fuertemente limitada.

Por esta razón, las protecciones convencionales contra sobrecorriente no constituyen el mecanismo principal de protección frente a una primera falla a tierra en el lado CC.

¿Cuándo sí pueden aparecer corrientes elevadas?

Existen situaciones donde el sistema de puesta a tierra puede conducir corrientes importantes.

1. Sistemas con un polo puesto a tierra

Algunas instalaciones antiguas o aplicaciones especiales conectan uno de los polos del circuito CC directamente a tierra.

En estos casos una falla a tierra puede transformarse en un cortocircuito de baja impedancia, generando corrientes elevadas.

2. Segunda falla a tierra

En un sistema flotante, una primera falla normalmente no produce grandes corrientes.

Sin embargo, si posteriormente aparece una segunda falla en otro punto del circuito (por ejemplo, una en el conductor positivo y otra en el negativo), se crea un camino completo de circulación de corriente.

En ese momento, la corriente puede alcanzar valores elevados y convertirse en un verdadero cortocircuito.

3. Fallas internas del inversor

Determinadas fallas en la electrónica de potencia pueden crear caminos internos de baja impedancia entre los conductores activos y la puesta a tierra, permitiendo la circulación de corrientes importantes.

El comportamiento del lado CA es completamente diferente

En corriente alterna la situación cambia considerablemente.

Si una fase entra en contacto con una carcasa metálica correctamente conectada al conductor de protección (PE), se establece un lazo de falla de baja impedancia.

La corriente de falla puede alcanzar cientos o incluso miles de amperios, dependiendo de:

• la potencia del transformador;
• la impedancia del sistema;
• la longitud y sección de los conductores;
• el esquema de puesta a tierra (TN, TT o IT).

En este escenario, el conductor de protección sí debe transportar una corriente elevada durante el tiempo necesario para que actúe el fusible, interruptor automático o dispositivo diferencial.

Entonces, ¿cuál es la verdadera función de la puesta a tierra en un sistema fotovoltaico?

Contrariamente a lo que muchas personas creen, la principal función de la puesta a tierra no es conducir permanentemente grandes corrientes de falla.

Su función es mucho más amplia y está directamente relacionada con la seguridad eléctrica.

Entre sus objetivos principales destacan:

• Proteger a las personas limitando las tensiones de contacto;
• Mantener todas las masas metálicas al mismo potencial mediante la equipotencialidad;
• Proporcionar un camino controlado para la actuación de las protecciones cuando corresponda;
• Facilitar el funcionamiento de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD);
• Disipar corrientes provenientes de descargas atmosféricas;
• Contribuir al correcto funcionamiento de los sistemas de supervisión de aislamiento.

En una instalación fotovoltaica moderna, la puesta a tierra debe entenderse como un sistema integral de seguridad, más que como un simple conductor destinado a transportar corrientes de cortocircuito.