Protecció contra llamps i sobretensions per a sistemes fotovoltaics al terrat
Actualment hi ha instal·lats molts sistemes fotovoltaics. Basant-se en el fet que l’electricitat autogenerada és generalment més barata i proporciona un alt grau d’independència elèctrica de la xarxa, els sistemes fotovoltaics esdevindran una part integral de les instal·lacions elèctriques en el futur. No obstant això, aquests sistemes estan exposats a totes les condicions meteorològiques i han de suportar-los durant dècades.
Els cables dels sistemes fotovoltaics entren sovint a l’edifici i s’estenen a llargues distàncies fins arribar al punt de connexió de la xarxa.
Les descàrregues de raigs causen interferències elèctriques basades en el camp i conduïdes. Aquest efecte augmenta en relació amb l’augment de longituds de cable o bucles de conductors. Les sobretensions no només fan malbé els mòduls fotovoltaics, els inversors i la seva electrònica de control, sinó també els dispositius de la instal·lació de l’edifici.
El que és més important, les instal·lacions de producció de naus industrials també es poden danyar fàcilment i la producció es pot aturar.
Si s’injecten sobretensions en sistemes allunyats de la xarxa elèctrica, que també es coneix com sistemes fotovoltaics independents, el funcionament dels equips alimentats amb electricitat solar (per exemple, equips mèdics, subministrament d’aigua) es pot veure alterat.
La necessitat d’un sistema de protecció contra llamps al terrat
L’energia alliberada per una descàrrega de raigs és una de les causes més freqüents del foc. Per tant, la protecció personal i contra incendis té una importància cabdal en cas de llamp directe a l’edifici.
A l’etapa de disseny d’un sistema fotovoltaic, és evident si s’instal·la un sistema de protecció contra llamps en un edifici. La normativa d’edificació d’alguns països requereix que els edificis públics (per exemple, llocs de reunió pública, escoles i hospitals) estiguin equipats amb un sistema de protecció contra raigs. En cas d'edificis industrials o privats, depèn de la seva ubicació, tipus de construcció i utilització si s'ha d'instal·lar un sistema de protecció contra llamps. Per a això, s'ha de determinar si cal esperar un llamp o pot tenir conseqüències greus. Les estructures que necessitin protecció s’han de dotar de sistemes de protecció contra llamps eficaços permanentment.
Segons l’estat dels coneixements científics i tècnics, la instal·lació de mòduls fotovoltaics no augmenta el risc de llamps. Per tant, la sol·licitud de mesures de protecció contra llamps no es pot derivar directament de la mera existència d’un sistema fotovoltaic. No obstant això, es poden injectar substancials llamps a l’edifici a través d’aquests sistemes.
Per tant, és necessari determinar el risc resultant d’un cop de llamp segons IEC 62305-2 (EN 62305-2) i tenir en compte els resultats d’aquesta anàlisi de riscos a l’hora d’instal·lar el sistema fotovoltaic.
La secció 4.5 (Gestió de riscos) del suplement 5 de la norma alemanya DIN EN 62305-3 descriu que un sistema de protecció contra llamps dissenyat per a la classe de LPS III (LPL III) compleix els requisits habituals per als sistemes fotovoltaics. A més, a la directriu alemanya VdS 2010 (Protecció contra llamps i sobretensions orientada al risc) publicada per l’Associació d’Assegurances Alemanya s’enumeren mesures adequades de protecció contra el llamp. Aquesta directriu també requereix que s’instal·li LPL III i, per tant, un sistema de protecció contra llamps segons la classe de LPS III per a sistemes fotovoltaics al terrat (> 10 kW)p) i que es prenguin mesures de protecció contra sobretensions. Com a norma general, els sistemes fotovoltaics al terrat no han d’interferir amb les mesures de protecció contra llamps existents.
La necessitat de protecció contra sobretensions per als sistemes fotovoltaics
En cas de descàrrega de llamps, es produeixen sobretensions als conductors elèctrics. Els dispositius de protecció contra sobretensions (SPD) que s’han d’instal·lar aigües amunt dels dispositius que es volen protegir al costat de corrent altern, corrent continu i dades s’han demostrat molt eficaços per protegir els sistemes elèctrics d’aquests pics de tensió destructius. La secció 9.1 de la norma CENELEC CLC / TS 50539-12 (Principis de selecció i aplicació - SPD connectats a instal·lacions fotovoltaiques) demana la instal·lació de dispositius de protecció contra sobretensions tret que una anàlisi de risc demostri que no són necessaris SPD. Segons la norma IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44), els dispositius de protecció contra sobretensions també s’han d’instal·lar per a edificis sense sistema de protecció contra llamps externs, com ara edificis comercials i industrials, per exemple, instal·lacions agrícoles. El suplement 5 de la norma alemanya DIN EN 62305-3 proporciona una descripció detallada dels tipus de SPD i del seu lloc d’instal·lació.
Enrutament de cables de sistemes fotovoltaics
Els cables s’han d’encaminar de manera que s’evitin grans bucles de conductors. Això s’ha d’observar quan es combinen els circuits de CC per formar una cadena i quan s’interconnecten diverses cadenes. A més, les línies de dades o de sensors no s’han d’encaminar per diverses cadenes i formar grans bucles conductors amb les línies de corda. Això també s'ha de tenir en compte quan es connecta l'inversor a la connexió de xarxa. Per aquest motiu, la potència (corrent continu i ca) i les línies de dades (per exemple, sensor de radiació, control de rendiment) s’han d’encaminar juntament amb els conductors d’unió equipotencial al llarg de tota la seva ruta.
Posada a terra de sistemes fotovoltaics
Els mòduls fotovoltaics solen fixar-se en sistemes de muntatge metàl·lic. Els components fotovoltaics actius del costat de corrent continu presenten un aïllament doble o reforçat (comparable a l’aïllament de protecció anterior) tal com es requereix a la norma IEC 60364-4-41. La combinació de nombroses tecnologies al costat del mòdul i de l’inversor (per exemple, amb o sense aïllament galvànic) comporta diferents requisits de posada a terra. A més, el sistema de control d’aïllament integrat als inversors només és efectiu permanentment si el sistema de muntatge està connectat a terra. La informació sobre la implementació pràctica es proporciona al suplement 5 de la norma alemanya DIN EN 62305-3. La subestructura metàl·lica es posa a terra funcionalment si el sistema fotovoltaic es troba al volum protegit dels sistemes de terminació d’aire i es manté la distància de separació. La secció 7 del suplement 5 requereix conductors de coure amb una secció transversal d'almenys 6 mm2 o equivalent per a la posada a terra funcional (Figura 1). Els rails de muntatge també han d’estar interconnectats permanentment mitjançant conductors d’aquesta secció transversal. Si el sistema de muntatge està directament connectat al sistema de protecció contra llamps externs a causa del fet que no es pot mantenir la distància de separació s, aquests conductors passen a formar part del sistema d’unió equipotencial del llamp. En conseqüència, aquests elements han de ser capaços de transportar corrents de llamp. El requisit mínim per a un sistema de protecció contra llamps dissenyat per a una classe de LPS III és un conductor de coure amb una secció transversal de 16 mm2 o equivalent. A més, en aquest cas, els rails de muntatge han d’estar interconnectats permanentment mitjançant conductors d’aquesta secció transversal (Figura 2). El conductor d’enllaç equipotencial de connexió a terra / llamp funcional s’ha d’encaminar en paral·lel i el més a prop possible dels cables / línies de corrent continu i corrent altern.
Les pinces de terra UNI (Figura 3) es poden fixar en tots els sistemes de muntatge habituals. Connecten, per exemple, conductors de coure amb una secció transversal de 6 o 16 mm2 i cables de terra nus amb un diàmetre de 8 a 10 mm al sistema de muntatge de manera que puguin transportar corrents de llamp. La placa de contacte integrada d’acer inoxidable (V4A) garanteix una protecció contra la corrosió dels sistemes de muntatge d’alumini.
Distància de separació segons IEC 62305-3 (EN 62305-3) Cal mantenir una certa distància de separació entre un sistema de protecció contra llamps i un sistema fotovoltaic. Defineix la distància necessària per evitar un desplaçament incontrolat a les parts metàl·liques adjacents resultant d’un cop de llamp al sistema de protecció contra llamps extern. En el pitjor dels casos, aquesta transvasament incontrolada pot incendiar un edifici. En aquest cas, els danys al sistema fotovoltaic són irrellevants.
Ombres del nucli de les cèl·lules solars
La distància entre el generador solar i el sistema de protecció contra llamps és absolutament essencial per evitar ombres excessives. Les ombres difuses projectades, per exemple, per línies aèries, no afecten significativament el sistema fotovoltaic i el rendiment. Tanmateix, en el cas de les ombres del nucli, es projecta una ombra fosca clarament contornada a la superfície darrere d’un objecte, canviant el corrent que circula pels mòduls fotovoltaics. Per aquest motiu, les cèl·lules solars i els díodes de derivació associats no han d’estar influenciades per les ombres del nucli. Això es pot aconseguir mantenint una distància suficient. Per exemple, si una vareta de terminació d’aire amb un diàmetre de 10 mm matisa un mòdul, l’ombra del nucli es redueix constantment a mesura que augmenta la distància del mòdul. Després d’1.08 m només es projecta una ombra difusa al mòdul (Figura 4). L'annex A del suplement 5 de la norma alemanya DIN EN 62305-3 proporciona informació més detallada sobre el càlcul de les ombres del nucli.
Dispositius especials de protecció contra sobretensions per al costat dc dels sistemes fotovoltaics
Les característiques U / I de les fonts de corrent fotovoltaic són molt diferents de les de les fonts convencionals de corrent continu: tenen una característica no lineal (Figura 5) i provoquen la persistència a llarg termini dels arcs encesos. Aquesta naturalesa única de les fonts de corrent fotovoltaic no només requereix interruptors fotovoltaics i fusibles fotovoltaics més grans, sinó també un seccionador per al dispositiu de protecció contra sobretensions que s’adapta a aquesta naturalesa única i capaç de fer front als corrents fotovoltaics. El suplement 5 de la norma DIN EN 62305-3 alemanya (subsecció 5.6.1, taula 1) descriu la selecció de SPD adequats.
Per facilitar la selecció dels SPD de tipus 1, les taules 1 i 2 mostren la capacitat de transport de corrent d’impulsos de llamp requerida Idimoniet depenent de la classe de LPS, un nombre de conductors de baixada dels sistemes de protecció contra llamps externs, així com del tipus SPD (descargador basat en varistors limitador de tensió o descargador basat en espurnes de commutació de voltatge). S'han d'utilitzar SPD que compleixin la norma EN 50539-11 aplicable. La subsecció 9.2.2.7 de CENELEC CLC / TS 50539-12 també fa referència a aquesta norma.
Descarregador tipus 1 dc per a ús en sistemes fotovoltaics:
Descàrrega combinada multipol de tipus 1 + tipus 2 FLP7-PV. Aquest dispositiu de commutació de corrent continu consisteix en un dispositiu combinat de desconnexió i curtcircuit amb Thermo Dynamic Control i un fusible al camí de derivació. Aquest circuit desconnecta de forma segura l’aparell del voltatge del generador en cas de sobrecàrrega i apaga de manera fiable els arcs de corrent continu. Per tant, permet protegir els generadors fotovoltaics de fins a 1000 A sense un fusible de còpia de seguretat addicional. Aquest descàrrega combina un descàrrega de corrent de llamp i un descàrrega de sobretensions en un sol dispositiu, garantint així una protecció eficaç dels equips terminals. Amb la seva capacitat de descàrrega Itotal de 12.5 kA (10/350 μs), es pot utilitzar de forma flexible per a les classes més altes de LPS. FLP7-PV està disponible per a tensions UCPV de 600 V, 1000 V i 1500 V i té una amplada de només 3 mòduls. Per tant, FLP7-PV és el descargador combinat tipus 1 ideal per utilitzar-lo en sistemes d’alimentació fotovoltaica.
Els SPD de tipus 1 basats en escletxes de commutació de tensió, per exemple, FLP12,5-PV, són una altra tecnologia potent que permet descarregar corrents parcials de llamp en cas de sistemes fotovoltaics de corrent continu. Gràcies a la seva tecnologia d'espurna i un circuit d'extinció de corrent continu que permet protegir eficientment els sistemes electrònics aigües avall, aquesta sèrie de descàrregues té una capacitat de descàrrega de corrent de llamp extremadament elevada Itotal de 50 kA (10/350 μs), que és únic al mercat.
Descarregador tipus 2 dc per a ús en sistemes fotovoltaics: SLP40-PV
El funcionament fiable dels SPD en circuits fotovoltaics de CC també és indispensable quan s’utilitzen dispositius de protecció contra sobretensions de tipus 2. Amb aquesta finalitat, els descargadors de sobretensions de la sèrie SLP40-PV també disposen d’un circuit de protecció Y resistent a fallades i també es connecten a generadors fotovoltaics de fins a 1000 A sense un fusible de seguretat addicional.
Les nombroses tecnologies combinades en aquests descarregadors eviten danys al dispositiu de protecció contra sobretensions a causa de fallades d’aïllament al circuit fotovoltaic, el risc d’incendi d’un descàrrega sobrecarregat i situen l’aparell en un estat elèctric segur sense interrompre el funcionament del sistema fotovoltaic. Gràcies al circuit de protecció, la característica de limitació de tensió dels varistors es pot utilitzar completament fins i tot als circuits de corrent continu dels sistemes fotovoltaics. A més, el dispositiu de protecció contra sobretensions permanentment actiu minimitza nombrosos pics de voltatge petits.
Selecció de SPD segons el nivell de protecció de tensió Up
La tensió de funcionament del corrent continu dels sistemes fotovoltaics difereix d’un sistema a un altre. Actualment, són possibles valors de fins a 1500 V CC. En conseqüència, la força dielèctrica dels equips terminals també difereix. Per garantir que el sistema fotovoltaic està protegit de manera fiable, el nivell de protecció de tensió Up al SPD ha de ser inferior a la força dielèctrica del sistema fotovoltaic que se suposa que ha de protegir. L'estàndard CENELEC CLC / TS 50539-12 requereix que Up sigui almenys un 20% inferior a la força dielèctrica del sistema fotovoltaic. Els SPD de tipus 1 o 2 han d’estar coordinats energèticament amb l’entrada d’equips terminals. Si els SPD ja estan integrats en equips terminals, el fabricant assegura la coordinació entre el SPD tipus 2 i el circuit d’entrada dels equips terminals.
Exemples d'aplicació:
Edifici sense sistema de protecció contra llamps extern (situació A)
La figura 12 mostra el concepte de protecció contra sobretensions per a un sistema fotovoltaic instal·lat en un edifici sense sistema de protecció contra llamps extern. Les sobretensions perilloses entren al sistema fotovoltaic a causa d’un acoblament inductiu resultant de llamps propers o que viatgen des del sistema d’alimentació fins a l’entrada del servei a la instal·lació del consumidor. Els SPD de tipus 2 s’han d’instal·lar a les ubicacions següents:
- cara DC dels mòduls i inversors
- sortida de corrent altern del convertidor
- Tauler principal de distribució de baixa tensió
- Interfícies de comunicació per cable
Cada entrada de corrent continu (MPP) de l’inversor ha de ser protegida per un dispositiu de protecció contra sobretensions tipus 2, per exemple, la sèrie SLP40-PV, que protegeix de manera fiable la corrent continu del sistema fotovoltaic. L'estàndard CENELEC CLC / TS 50539-12 requereix que s'instal·li un descargador addicional de tipus 2 cc al costat del mòdul si la distància entre l'entrada del convertidor i el generador fotovoltaic supera els 10 m.
Les sortides de corrent altern dels inversors estan prou protegides si la distància entre els inversors fotovoltaics i el lloc d’instal·lació del paraparres tipus 2 al punt de connexió de la xarxa (alimentació de baixa tensió) és inferior a 10 m. En cas de longituds de cable més grans, s’ha d’instal·lar un dispositiu de protecció contra sobretensions tipus 2 addicional, per exemple, la sèrie SLP40-275, amunt de l’entrada d’alimentació de l’inversor segons CENELEC CLC / TS 50539-12.
A més, s’ha d’instal·lar un dispositiu de protecció contra sobretensions de la sèrie SLP2-40 tipus 275 amunt del comptador de l’alimentació de baixa tensió. CI (Circuit Interruption) significa un fusible coordinat integrat al recorregut de protecció del paraparres, que permet que el paraparres es pugui utilitzar en un circuit de corrent altern sense un fusible de reserva addicional. La sèrie SLP40-275 està disponible per a totes les configuracions del sistema de baixa tensió (TN-C, TN-S, TT).
Si els inversors estan connectats a línies de dades i sensors per controlar el rendiment, cal disposar de dispositius de protecció contra sobretensions adequats. La sèrie FLD2, que inclou terminals per a dos parells, per exemple per a línies de dades entrants i sortints, es pot utilitzar per a sistemes de dades basats en RS 485.
Edifici amb sistema de protecció contra llamps extern i distància de separació suficient s (situació B)
figura 13 mostra el concepte de protecció contra sobretensions d’un sistema fotovoltaic amb sistema de protecció contra llamps extern i una distància de separació suficient entre el sistema fotovoltaic i el sistema de protecció contra llamps extern.
L’objectiu principal de protecció és evitar danys a persones i béns (incendi de l’edifici) com a conseqüència d’un llamp. En aquest context, és important que el sistema fotovoltaic no interfereixi amb el sistema extern de protecció contra llamps. A més, el propi sistema fotovoltaic ha d’estar protegit contra els llamps directes. Això vol dir que el sistema fotovoltaic s’ha d’instal·lar al volum protegit del sistema de protecció contra llamps extern. Aquest volum protegit està format per sistemes de terminació d'aire (per exemple, barres de terminació d'aire) que impedeixen un llamp directe als mòduls i cables fotovoltaics. El mètode de l’angle de protecció (Figura 14) o mètode d’esfera rodant (Figura 15) tal com es descriu a la subsecció 5.2.2 de la norma IEC 62305-3 (EN 62305-3), es pot utilitzar per determinar aquest volum protegit. Cal mantenir una certa distància de separació entre totes les parts conductores del sistema fotovoltaic i el sistema de protecció contra llamps. En aquest context, s’han d’evitar les ombres del nucli, per exemple, mantenint una distància suficient entre les barres de terminació d’aire i el mòdul fotovoltaic.
L’enllaç equipotencial del llamp és una part integral d’un sistema de protecció contra llamps. S’ha d’implementar per a tots els sistemes conductors i línies que entren a l’edifici que puguin transportar corrents de llamp. Això s’aconsegueix mitjançant la connexió directa de tots els sistemes metàl·lics i la connexió indirecta de tots els sistemes energitzats a través del sistema de descàrrega de terra a través d’aparells de corrent de llamp tipus 1. L’enllaç equipotencial del llamp s’hauria d’implementar el més a prop possible del punt d’entrada a l’edifici per evitar que entrin corrents parcials de llamp a l’edifici. El punt de connexió a la xarxa ha de ser protegit per un SPD tipus 1 basat en espacial multipolar, per exemple, un descargador combinat tipus 1 FLP25GR. Aquest descàrrega combina un descàrrega de corrent de llamp i un descàrrega de sobretensions en un sol dispositiu. Si la longitud del cable entre el paraparres i l’inversor és inferior a 10 m, es proporciona una protecció suficient. En cas de longitud de cable superior, cal instal·lar dispositius addicionals de protecció contra sobretensions de tipus 2 aigües amunt de l’entrada d’entrada dels inversors segons CENELEC CLC / TS 50539-12.
Cada corrent continu l’entrada de l’inversor ha de ser protegida per un descargador fotovoltaic de tipus 2, per exemple, la sèrie SLP40-PV (Figura 16). Això també s'aplica als dispositius sense transformador. Si els inversors estan connectats a línies de dades, per exemple, per controlar el rendiment, cal instal·lar dispositius de protecció contra sobretensions per protegir la transmissió de dades. Per a aquest propòsit, es pot proporcionar la sèrie FLPD2 per a línies amb sistemes de senyal analògic i bus de dades com RS485. Detecta la tensió de funcionament del senyal útil i ajusta el nivell de protecció de la tensió a aquesta tensió de funcionament.
Conductor HVI aïllat resistent a alta tensió
Una altra possibilitat de mantenir les distàncies de separació és utilitzar conductors HVI aïllats resistents a alta tensió que permetin mantenir una distància de separació de fins a 0.9 m en aire. Els conductors HVI poden contactar directament amb el sistema fotovoltaic aigües avall del rang final de tancament. En aquesta Guia de protecció contra llamps o en les instruccions d’instal·lació pertinents es proporciona informació més detallada sobre l’aplicació i la instal·lació dels conductors HVI.
Edifici amb sistema de protecció contra llamps extern amb distàncies de separació insuficients (situació C)
Si el sostre és de metall o està format pel propi sistema fotovoltaic, no es pot mantenir la distància de separació s. Els components metàl·lics del sistema de muntatge fotovoltaic han d’estar connectats al sistema de protecció contra llamps externs de manera que puguin transportar corrents de llamp (conductor de coure amb una secció transversal de 16 mm com a mínim2 o equivalent). Això vol dir que també s’ha d’implementar un enllaç equipotencial del llamp per a les línies fotovoltaiques que entren a l’exterior des de l’edifici (Figura 17). Segons el suplement 5 de la norma alemanya DIN EN 62305-3 i la norma CENELEC CLC / TS 50539-12, les línies de corrent continu han de ser protegides per un SPD tipus 1 per a sistemes fotovoltaics.
Per a aquest propòsit, s’utilitza un descargador combinat tipus 1 i tipus 2 FLP7-PV. També s’ha d’implementar un enllaç equipotencial de llamp a l’alimentació de baixa tensió. Si els inversors fotovoltaics estan situats a més de 10 m del SPD de tipus 1 instal·lat al punt de connexió a la xarxa, s’ha d’instal·lar un SPD de tipus 1 addicional al costat ca dels inversors (per exemple, tipus 1) + descàrrega combinada tipus 2 FLP25GR). També s’han d’instal·lar dispositius de protecció contra sobretensos adequats per protegir les línies de dades pertinents per al control del rendiment. Els dispositius de protecció contra sobretensions de la sèrie FLD2 s’utilitzen per protegir sistemes de dades, per exemple, basats en RS 485.
Sistemes fotovoltaics amb microinversors
Els microinversors requereixen un concepte de protecció contra sobretensions diferent. Per a això, la línia de corrent continu d'un mòdul o un parell de mòduls està directament connectada a l'inversor de petites dimensions. En aquest procés, s’han d’evitar els bucles de conductor innecessaris. L’acoblament inductiu en estructures tan petites de corrent continu solen tenir un potencial de destrucció energètica baix. L’extens cablejat d’un sistema fotovoltaic amb microinversors es troba al costat ca (Figura 18). Si el microinversor està instal·lat directament al mòdul, els dispositius de protecció contra sobretensions només es poden instal·lar al costat de corrent altern:
- Edificis sense sistema de protecció contra llamps extern = descarregadors SLP2-40 tipus 275 per a corrent altern / trifàsic a prop dels microinversors i SLP40-275 a l’alimentació de baixa tensió.
- Edificis amb sistema de protecció contra llamps externs i distància de separació suficient s = descargadors de tipus 2, per exemple, SLP40-275, molt a prop dels microinversors i corrents de llamp que transporten descargadors de tipus 1 a l’alimentació de baixa tensió, per exemple, FLP25GR.
- Edificis amb sistema de protecció contra llamps externs i distància de separació insuficient s = descargadors tipus 1, per exemple, SLP40-275, molt a prop dels microinversors i corrents de llamp que transporten corredisses tipus 1 FLP25GR a l’alimentació de baixa tensió.
Independentment de fabricants particulars, els microinversors disposen de sistemes de control de dades. Si les dades es modulen a les línies de corrent altern mitjançant els microinversors, s’ha de proporcionar un dispositiu de protecció contra sobretensions a les unitats receptores separades (exportació de dades / processament de dades). El mateix s'aplica a les connexions d'interfície amb sistemes de bus aigües avall i la seva alimentació de tensió (per exemple, Ethernet, XDSI).
Els sistemes de generació d'energia solar són una part integral dels sistemes elèctrics actuals. Haurien d’estar equipats amb descàrregues de corrent i sobretensions adequades, cosa que garantirà un funcionament a llarg termini impecable d’aquestes fonts d’electricitat.
