Dispositius de protecció contra sobretensions de CC per a instal·lacions fotovoltaiques
Dispositiu de protecció contra sobretensions de caixa de combinació fotovoltaica de panells solars
Com que els dispositius de protecció contra sobretensions de CC per a instal·lacions fotovoltaiques han de ser dissenyats per proporcionar una exposició completa a la llum solar, són molt vulnerables als efectes dels llamps. La capacitat d’una matriu fotovoltaica està directament relacionada amb la seva superfície exposada, de manera que l’impacte potencial dels esdeveniments llampecs augmenta amb la mida del sistema. Quan els casos d’il·luminació són freqüents, els sistemes fotovoltaics no protegits poden patir danys repetits i significatius als components clau. Això es tradueix en costos substancials de reparació i substitució, temps d'inactivitat del sistema i pèrdua d'ingressos. Els dispositius de protecció contra sobretensions (SPD) adequadament dissenyats, especificats i instal·lats minimitzen l’impacte potencial dels esdeveniments llampecs quan s’utilitzen juntament amb sistemes de protecció contra llamps dissenyats.
Un sistema de protecció contra llamps que incorpora elements bàsics com ara terminals d’aire, conductors de baixada adequats, unió equipotencial per a tots els components que transporten corrent i principis de connexió a terra adequats proporciona una protecció contra proteccions directes. Si hi ha alguna preocupació sobre el risc de llamps a la vostra instal·lació fotovoltaica, us recomano la contractació d’un enginyer elèctric professional amb experiència en aquest camp per proporcionar un estudi d’avaluació de riscos i un disseny del sistema de protecció si cal.
És important entendre la diferència entre els sistemes de protecció contra llamps i els SPD. El propòsit d’un sistema de protecció contra llamps és canalitzar un llamp directe a través de conductors substancials que transporten corrent a la terra, estalviant així les estructures i els equips que no es trobin en el camí d’aquesta descàrrega o siguin impactats directament. Els SPD s’apliquen als sistemes elèctrics per proporcionar un camí de descàrrega a la terra per salvar els components d’aquests sistemes d’exposar-se als transitoris d’alta tensió causats pels efectes directes o indirectes de llamps o anomalies del sistema d’energia. Fins i tot amb un sistema de protecció contra el llamp extern, sense SPD, els efectes del llamp poden causar danys importants als components.
Als efectes d’aquest article, suposo que hi ha alguna forma de protecció contra llamps i examino els tipus, la funció i els beneficis de l’ús addicional de SPD adequats. Juntament amb un sistema de protecció contra llamps adequadament dissenyat, l’ús de SPD en ubicacions clau del sistema protegeix components importants com ara inversors, mòduls, equips en caixes combinadores i sistemes de mesura, control i comunicacions.
La importància dels SPD
A part de les conseqüències dels llamps directes a les matrius, el cablejat d’alimentació d’interconnexió és molt susceptible als transitoris induïts electromagnèticament. Els transitoris causats directament o indirectament pels llamps, així com els transitoris generats per les funcions de commutació de serveis públics, exposen els equips elèctrics i electrònics a sobretensions molt altes de molt curta durada (desenes a centenars de microsegons). L’exposició a aquestes tensions transitòries pot causar una fallada catastròfica dels components que pot ser notable per danys mecànics i el seguiment del carboni o que no es pugui notar, però encara pot provocar una fallada de l’equip o del sistema.
L’exposició a llarg termini a transitoris de menor magnitud deteriora el material dielèctric i d’aïllament dels equips del sistema fotovoltaic fins que es produeix una avaria final. A més, poden aparèixer transitoris de tensió als circuits de mesura, control i comunicació. Pot semblar que aquests transitoris són senyals o informació errònies, cosa que provoca un mal funcionament o una apagada de l’equip. La col·locació estratègica dels SPD mitiga aquests problemes perquè funcionen com a dispositius de tall o de tancament.
Característiques tècniques dels SPD
La tecnologia SPD més comuna que s’utilitza en aplicacions fotovoltaiques és el varistor d’òxid metàl·lic (MOV), que funciona com a dispositiu de subjecció de tensió. Altres tecnologies SPD inclouen el díode d’allau de silici, les llacunes controlades i els tubs de descàrrega de gas. Aquests dos últims són dispositius de commutació que apareixen com a curtcircuits o palanques. Cada tecnologia té les seves pròpies característiques, cosa que la fa més o menys adequada per a una aplicació específica. Les combinacions d’aquests dispositius també es poden coordinar per proporcionar característiques més òptimes que les que ofereixen individualment. La taula 1 llista els principals tipus de SPD utilitzats en sistemes fotovoltaics i detalla les seves característiques generals de funcionament.
Un SPD ha de ser capaç de canviar els estats amb la suficient rapidesa durant el breu temps que hi ha un transitori i descarregar la magnitud del corrent transitori sense fallar. El dispositiu també ha de minimitzar la caiguda de tensió del circuit SPD per protegir l’equip al qual està connectat. Finalment, la funció SPD no ha d’interferir amb la funció normal d’aquest circuit.
Les característiques de funcionament del SPD es defineixen mitjançant diversos paràmetres que ha d’entendre qualsevol que faci la selecció dels SPD. Aquest tema requereix més detalls que es poden tractar aquí, però hi ha alguns paràmetres que cal tenir en compte: tensió màxima de funcionament continu, aplicació de corrent altern o corrent continu, corrent nominal de descàrrega (definit per una magnitud i forma d’ona), nivell de protecció de voltatge (el tensió terminal que hi ha quan l’SPD descarrega un corrent específic) i sobretensió temporal (una sobretensió contínua que es pot aplicar durant un temps específic sense danyar l’SPD).
Els SPD que fan servir diferents tecnologies de components es poden col·locar als mateixos circuits. Tot i això, s’han de seleccionar amb cura per garantir la coordinació energètica entre ells. La tecnologia de components amb un índex de descàrrega més alt ha de descarregar la major magnitud del corrent transitori disponible mentre que l’altra tecnologia de components redueix la tensió transitòria residual a una magnitud inferior ja que descarrega un corrent menor.
El SPD ha de tenir un dispositiu autoprotector integral que el desconnecti del circuit si el dispositiu falla. Per fer evident aquesta desconnexió, molts SPD mostren un indicador que indica el seu estat de desconnexió. Indicar l’estat del SPD mitjançant un conjunt auxiliar de contactes integral és una característica millorada que pot proporcionar un senyal a una ubicació remota. Una altra característica important del producte a tenir en compte és si el SPD utilitza un mòdul extraïble que es pot protegir amb els dits i que permet substituir fàcilment un mòdul fallit sense eines o la necessitat de desactivar el circuit.
Dispositius de protecció contra sobretensions de CA per a instal·lacions fotovoltaiques Consideracions
Els llamps llampegen des dels núvols fins al sistema de protecció contra llamps, l’estructura fotovoltaica o un terreny proper provoca un augment local del potencial terrestre pel que fa a referències terrestres llunyanes. Els conductors que abasten aquestes distàncies exposen l'equip a tensions significatives. Els efectes de les pujades de potencial a terra es produeixen principalment en el punt de connexió entre un sistema fotovoltaic lligat a la xarxa i el servei públic a l’entrada del servei, el punt en què la terra local està connectada elèctricament a una terra de referència distant.
La protecció contra sobretensions s’ha de col·locar a l’entrada del servei per protegir el costat de la utilitat de l’inversor de transitoris danyosos. Els transitoris que es veuen en aquesta ubicació tenen una magnitud i una durada elevades i, per tant, han de ser gestionats per una protecció contra sobretensions amb valors de corrent de descàrrega adequats. Les llacunes controlades utilitzades en coordinació amb MOV són ideals per a aquest propòsit. La tecnologia Spark gap pot descarregar corrents de llamp elevats proporcionant una funció d’enllaç equipotencial durant el transitori del llamp. El MOV coordinat té la capacitat de fixar la tensió residual a un nivell acceptable.
A més dels efectes de l’augment del potencial de terra, el costat ca de l’inversor es pot veure afectat per transitoris induïts per un llamp i de commutació d’utilitat que també apareixen a l’entrada del servei. Per minimitzar els possibles danys de l’equip, s’hauria d’aplicar una protecció contra sobretensions de CA adequada el més a prop possible dels terminals de corrent altern de l’inversor, amb la ruta més curta i recta per a conductors de superfície transversal suficient. Si no s’implementa aquest criteri de disseny, es produeix una caiguda de tensió superior al necessari al circuit SPD durant la descàrrega i s’exposa l’equip protegit a tensions transitòries més altes del necessari.
Dispositius de protecció contra sobretensions de CC per a instal·lacions fotovoltaiques Consideracions
Els atacs directes a estructures a terra properes (inclòs el sistema de protecció contra llamps) i els flaixos inter i intra-núvol que poden tenir magnituds de 100 kA poden provocar camps magnètics associats que indueixin corrents transitoris al cablejat de corrent continu del sistema fotovoltaic. Aquestes tensions transitòries apareixen als terminals dels equips i provoquen fallades aïllants i dielèctriques dels components clau.
La col·locació de SPD en llocs especificats mitiga l’efecte d’aquests corrents de llamp induïts i parcials. El SPD es col·loca en paral·lel entre els conductors energitzats i la terra. Canvia d'estat d'un dispositiu d'alta impedància a un dispositiu de baixa impedància quan es produeix la sobretensió. En aquesta configuració, l'SPD descarrega el corrent transitori associat, minimitzant la sobretensió que d'una altra manera hi hauria als terminals de l'equip. Aquest dispositiu paral·lel no transporta cap corrent de càrrega. El SPD seleccionat ha d'estar dissenyat, classificat i aprovat específicament per a l'aplicació a tensions fotovoltaiques de corrent continu. La desconnexió SPD integral ha de ser capaç d’interrompre l’arc de corrent continu més sever, que no es troba a les aplicacions de corrent altern.
La connexió de mòduls MOV en una configuració Y és una configuració SPD d’ús habitual en sistemes fotovoltaics de grans dimensions comercials i d’utilitat que funcionen a una tensió màxima de circuit obert de 600 o 1,000 Vcc. Cada pota de la Y conté un mòdul MOV connectat a cada pol i a terra. En un sistema sense connexió a terra, hi ha dos mòduls entre cada pol i entre el pol i el terra. En aquesta configuració, cada mòdul es classifica per la meitat de la tensió del sistema, de manera que, fins i tot si es produeix una falla entre terra i terra, els mòduls MOV no superen el seu valor nominal.
Consideracions sobre la protecció contra sobretensions del sistema no alimentat
De la mateixa manera que els equips i components del sistema d’energia són susceptibles als efectes dels llamps, també ho són els equips que es troben als sistemes de mesura, control, instrumentació, SCADA i comunicacions associats a aquestes instal·lacions. En aquests casos, el concepte bàsic de protecció contra sobretensions és el mateix que en els circuits de potència. Tanmateix, com que aquest equip sol ser menys tolerant als impulsos de sobretensió i és més susceptible a senyals errònies i a ser afectat negativament per l’addició de components en sèrie o paral·lels als circuits, s’ha de tenir més cura en les característiques de cada SPD afegit. Es requereixen SPD específics segons si aquests components es comuniquen a través de parells trenats, Ethernet CAT 6 o RF coaxial. A més, els SPD seleccionats per als circuits sense alimentació han de ser capaços de descarregar els corrents transitoris sense fallades, per proporcionar un nivell de protecció de voltatge adequat i abstenir-se d’interferir amb la funció del sistema, inclosa la impedància de sèrie, la capacitat de línia a línia i la terra i l’amplada de banda de freqüència. .
Aplicacions errònies habituals dels SPD
Els SPD s’han aplicat als circuits de potència durant molts anys. La majoria dels circuits de potència contemporanis són sistemes de corrent altern. Com a tal, la majoria dels equips de protecció contra sobretensions han estat dissenyats per al seu ús en sistemes de corrent altern. La introducció relativament recent de grans sistemes fotovoltaics comercials i d’escala d’utilitat i l’increment del nombre de sistemes desplegats ha portat, malauradament, a la mala aplicació al costat continu dels SPD dissenyats per a sistemes de corrent altern. En aquests casos, els SPD funcionen de manera incorrecta, sobretot durant el seu mode de fallada, a causa de les característiques dels sistemes fotovoltaics de corrent continu.
Els MOV ofereixen excel·lents característiques per servir com a SPD. Si es classifiquen correctament i s’apliquen correctament, funcionen de manera adequada per a aquesta funció. No obstant això, com tots els productes elèctrics, poden fallar. La fallada es pot produir per escalfament ambiental, descàrrega de corrents superiors al que el dispositiu està dissenyat per manipular, descàrrega massa vegades o exposició a condicions de sobretensió contínues.
Per tant, els SPD estan dissenyats amb un commutador de desconnexió operat tèrmicament que els separa de la connexió paral·lela al circuit de corrent continu en cas que sigui necessari. Atès que hi passa una mica de corrent quan el SPD entra en mode de fallada, apareix un lleuger arc mentre el commutador de desconnexió tèrmica funciona. Quan s’aplica en un circuit de corrent altern, el primer pas zero del corrent subministrat pel generador apaga aquest arc i l’SPD s’elimina amb seguretat del circuit. Si el mateix SPD de CA s'aplica al costat corrent continu d'un sistema fotovoltaic, especialment a les altes tensions, no hi ha cap creuament zero del corrent en una forma d'ona de corrent continu. L'interruptor normal que funciona tèrmicament no pot extingir el corrent d'arc i el dispositiu falla.
Col·locar un circuit de derivació fusionat paral·lel al voltant del MOV és un mètode per superar l’extinció de l’arc de falla de corrent continu. En cas que la desconnexió tèrmica funcioni, encara apareix un arc a través dels contactes d'obertura; però aquest corrent d'arc es redirigeix a un camí paral·lel que conté un fusible on s'extingeix l'arc, i el fusible interromp el corrent d'error.
La fusió amunt abans del SPD, com es pot aplicar en sistemes de corrent altern, no és adequada en sistemes de corrent continu. El corrent de curtcircuit disponible per fer funcionar el fusible (com en un dispositiu de protecció contra sobrecorrent) pot no ser suficient quan el generador té una potència de sortida reduïda. Com a conseqüència, alguns fabricants de SPD ho han tingut en compte en el seu disseny. UL ha modificat el seu estàndard anterior mitjançant el seu suplement a l’últim estàndard de protecció contra sobretensions — UL 1449. Aquesta tercera edició s’aplica específicament als sistemes fotovoltaics.
Llista de comprovació SPD
Malgrat l’elevat risc de llamps a què estan exposades moltes instal·lacions fotovoltaiques, es poden protegir mitjançant l’aplicació de SPD i un sistema de protecció contra llamps adequadament dissenyat. La implementació efectiva del SPD hauria d’incloure les següents consideracions:
- Col·locació correcta al sistema
- Requisits de baixa
- Correcció i connexió a terra del sistema equip-terra
- Qualificació d’alta
- Nivell de protecció de tensió
- Adequació per al sistema en qüestió, incloses les aplicacions de corrent continu o corrent altern
- Mode d'error
- Indicació d'estat local i remot
- Mòduls fàcilment substituïbles
- La funció normal del sistema no hauria d’estar afectada, específicament en sistemes que no funcionen
