Dispositivos de protección contra sobretensiones de CC para instalaciones fotovoltaicas
Dispositivo de protección contra sobretensiones de CC de la caja combinadora fotovoltaica del panel solar
Debido a que los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC para instalaciones fotovoltaicas deben diseñarse para proporcionar una exposición total a la luz solar, son altamente vulnerables a los efectos de los rayos. La capacidad de una matriz fotovoltaica está directamente relacionada con su área de superficie expuesta, por lo que el impacto potencial de los rayos aumenta con el tamaño del sistema. Cuando las incidencias de iluminación son frecuentes, los sistemas fotovoltaicos desprotegidos pueden sufrir daños repetidos y significativos en componentes clave. Esto resulta en costos sustanciales de reparación y reemplazo, tiempo de inactividad del sistema y pérdida de ingresos. Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) correctamente diseñados, especificados e instalados minimizan el impacto potencial de los eventos de rayos cuando se utilizan junto con sistemas de protección contra rayos diseñados.
Un sistema de protección contra rayos que incorpora elementos básicos como terminales de aire, conductores de bajada adecuados, conexión equipotencial para todos los componentes que transportan corriente y principios de conexión a tierra adecuados proporciona un dosel de protección contra golpes directos. Si existe alguna preocupación por el riesgo de rayos en su sitio fotovoltaico, le recomiendo contratar a un ingeniero eléctrico profesional con experiencia en este campo para proporcionar un estudio de evaluación de riesgos y un diseño de sistema de protección si es necesario.
Es importante comprender la diferencia entre los sistemas de protección contra rayos y los SPD. El propósito de un sistema de protección contra rayos es canalizar un rayo directo a tierra a través de importantes conductores portadores de corriente, lo que evita que las estructuras y el equipo se interpongan en el camino de esa descarga o sean golpeados directamente. Los SPD se aplican a los sistemas eléctricos para proporcionar una ruta de descarga a tierra para evitar que los componentes de esos sistemas estén expuestos a los transitorios de alto voltaje causados por los efectos directos o indirectos de los rayos o las anomalías del sistema eléctrico. Incluso con un sistema de protección contra rayos externo instalado, sin SPD, los efectos de los rayos pueden causar daños importantes a los componentes.
Para los propósitos de este artículo, asumo que existe alguna forma de protección contra rayos y examino los tipos, funciones y beneficios del uso adicional de SPD apropiados. Junto con un sistema de protección contra rayos correctamente diseñado, el uso de SPD en ubicaciones clave del sistema protege los componentes principales, como inversores, módulos, equipos en cajas de combinación y sistemas de medición, control y comunicaciones.
La importancia de los DOCUP
Aparte de las consecuencias de los rayos directos que caen sobre los arreglos, la interconexión del cableado de energía es muy susceptible a los transitorios inducidos electromagnéticamente. Los transitorios causados directa o indirectamente por los rayos, así como los transitorios generados por las funciones de conmutación de servicios públicos, exponen los equipos eléctricos y electrónicos a sobretensiones muy altas de muy corta duración (decenas a cientos de microsegundos). La exposición a estos voltajes transitorios puede causar una falla catastrófica del componente que puede ser perceptible por daños mecánicos y huellas de carbono o pasar desapercibida pero aún causar una falla del equipo o del sistema.
La exposición a largo plazo a transitorios de menor magnitud deteriora el material dieléctrico y de aislamiento en los equipos del sistema fotovoltaico hasta que se produce una avería final. Además, pueden aparecer transitorios de voltaje en los circuitos de medición, control y comunicación. Estos transitorios pueden parecer señales o información erróneas, lo que hace que el equipo funcione mal o se apague. La ubicación estratégica de los SPD mitiga estos problemas porque funcionan como dispositivos de sujeción o cortocircuitos.
Características técnicas de los SPD
La tecnología SPD más común utilizada en aplicaciones fotovoltaicas es el varistor de óxido metálico (MOV), que funciona como un dispositivo de sujeción de voltaje. Otras tecnologías SPD incluyen el diodo de avalancha de silicio, los descargadores de chispas controlados y los tubos de descarga de gas. Los dos últimos son dispositivos de conmutación que aparecen como cortocircuitos o palancas. Cada tecnología tiene sus propias características, haciéndola más o menos adecuada para una aplicación específica. Las combinaciones de estos dispositivos también se pueden coordinar para proporcionar características más óptimas que las que ofrecen individualmente. La Tabla 1 enumera los principales tipos de SPD utilizados en los sistemas fotovoltaicos y detalla sus características operativas generales.
Un SPD debe ser capaz de cambiar de estado lo suficientemente rápido durante el breve tiempo que está presente un transitorio y descargar la magnitud de la corriente transitoria sin fallar. El dispositivo también debe minimizar la caída de voltaje en el circuito SPD para proteger el equipo al que está conectado. Finalmente, la función SPD no debe interferir con la función normal de ese circuito.
Las características operativas de los SPD están definidas por varios parámetros que debe comprender quien esté haciendo la selección de los SPD. Este tema requiere más detalles que pueden cubrirse aquí, pero los siguientes son algunos parámetros que deben ser considerados: voltaje de operación continuo máximo, aplicación de CA o CC, corriente de descarga nominal (definida por una magnitud y forma de onda), nivel de protección de voltaje (el voltaje terminal que está presente cuando el SPD está descargando una corriente específica) y sobretensión temporal (una sobretensión continua que se puede aplicar durante un tiempo específico sin dañar el SPD).
Los SPD que utilizan diferentes tecnologías de componentes se pueden colocar en los mismos circuitos. Sin embargo, deben seleccionarse con cuidado para garantizar la coordinación energética entre ellos. La tecnología de componentes con la clasificación de descarga más alta debe descargar la mayor magnitud de la corriente transitoria disponible mientras que la tecnología de otros componentes reduce la tensión transitoria residual a una magnitud menor a medida que descarga una corriente menor.
El SPD debe tener un dispositivo de autoprotección integral que lo desconecte del circuito en caso de que falle. Para hacer evidente esta desconexión, muchos SPD muestran una bandera que indica su estado de desconexión. La indicación del estado del SPD a través de un conjunto auxiliar integral de contactos es una característica mejorada que puede proporcionar una señal a una ubicación remota. Otra característica importante del producto a considerar es si el SPD utiliza un módulo extraíble y seguro para los dedos que permite reemplazar fácilmente un módulo fallado sin herramientas o sin necesidad de desenergizar el circuito.
Consideraciones sobre dispositivos de protección contra sobretensiones de CA para instalaciones fotovoltaicas
Los relámpagos de las nubes al sistema de protección contra rayos, la estructura fotovoltaica o un terreno cercano provocan un aumento local del potencial del terreno con respecto a las referencias terrestres distantes. Los conductores que atraviesan estas distancias exponen el equipo a voltajes importantes. Los efectos de los aumentos del potencial de tierra se experimentan principalmente en el punto de conexión entre un sistema fotovoltaico conectado a la red y el servicio público en la entrada de servicio, el punto donde la tierra local está conectada eléctricamente a una tierra de referencia distante.
Se debe colocar protección contra sobretensiones en la entrada de servicio para proteger el lado de servicio del inversor de daños transitorios. Los transitorios observados en esta ubicación son de gran magnitud y duración y, por lo tanto, deben gestionarse mediante protección contra sobretensiones con clasificaciones de corriente de descarga adecuadamente altas. Los descargadores de chispas controlados que se utilizan en coordinación con los MOV son ideales para este propósito. La tecnología de descarga de chispas puede descargar altas corrientes de rayo al proporcionar una función de conexión equipotencial durante el rayo transitorio. El MOV coordinado tiene la capacidad de fijar el voltaje residual a un nivel aceptable.
Además de los efectos del aumento del potencial de tierra, el lado de CA del inversor puede verse afectado por transitorios inducidos por rayos y de conmutación de servicios públicos que también aparecen en la entrada de servicio. Para minimizar el daño potencial al equipo, se debe aplicar protección contra sobretensiones de CA con la clasificación adecuada lo más cerca posible de los terminales de CA del inversor, con la ruta más corta y recta para conductores de suficiente área de sección transversal. No implementar este criterio de diseño da como resultado una caída de voltaje mayor de lo necesario en el circuito SPD durante la descarga y expone el equipo protegido a voltajes transitorios más altos de lo necesario.
Consideraciones sobre dispositivos de protección contra sobretensiones de CC para instalaciones fotovoltaicas
Los impactos directos a estructuras cercanas conectadas a tierra (incluido el sistema de protección contra rayos) y los destellos entre nubes y dentro de las nubes que pueden tener magnitudes de 100 kA pueden causar campos magnéticos asociados que inducen corrientes transitorias en el cableado de CC del sistema fotovoltaico. Estos voltajes transitorios aparecen en los terminales del equipo y provocan fallas de aislamiento y dieléctricas de componentes clave.
La colocación de SPD en ubicaciones específicas mitiga el efecto de estas corrientes de rayo inducidas y parciales. El SPD se coloca en paralelo entre los conductores energizados y tierra. Cambia de estado de un dispositivo de alta impedancia a un dispositivo de baja impedancia cuando ocurre la sobretensión. En esta configuración, el SPD descarga la corriente transitoria asociada, minimizando la sobretensión que de otro modo estaría presente en los terminales del equipo. Este dispositivo paralelo no lleva ninguna corriente de carga. El DPS seleccionado debe estar diseñado, clasificado y aprobado específicamente para su aplicación en voltajes fotovoltaicos de CC. La desconexión integral del SPD debe poder interrumpir el arco de CC más severo, que no se encuentra en aplicaciones de CA.
La conexión de módulos MOV en una configuración Y es una configuración SPD comúnmente utilizada en grandes sistemas fotovoltaicos comerciales y de servicios públicos que operan a un voltaje máximo de circuito abierto de 600 o 1,000 V CC. Cada pata de la Y contiene un módulo MOV conectado a cada polo y a tierra. En un sistema sin conexión a tierra, hay dos módulos entre cada polo y entre ambos polos y tierra. En esta configuración, cada módulo está clasificado para la mitad del voltaje del sistema, por lo que incluso si ocurre una falla de polo a tierra, los módulos MOV no exceden su valor nominal.
Consideraciones de protección contra sobretensiones de sistemas no eléctricos
Así como los equipos y componentes del sistema de potencia son susceptibles a los efectos de los rayos, también lo son los equipos que se encuentran en los sistemas de medición, control, instrumentación, SCADA y comunicaciones asociados con estas instalaciones. En estos casos, el concepto básico de protección contra sobretensiones es el mismo que en los circuitos de potencia. Sin embargo, dado que este equipo suele ser menos tolerante a los impulsos de sobretensión y más susceptible a señales erróneas y a verse afectado negativamente por la adición de componentes en serie o en paralelo a los circuitos, se debe prestar mayor atención a las características de cada DPS añadido. Se requieren SPD específicos de acuerdo con si estos componentes se comunican a través de par trenzado, Ethernet CAT 6 o RF coaxial. Además, los SPD seleccionados para circuitos que no son de potencia deben poder descargar las corrientes transitorias sin fallas, para proporcionar un nivel de protección de voltaje adecuado y evitar interferir con la función del sistema, incluida la impedancia en serie, la capacitancia de línea a línea y tierra y el ancho de banda de frecuencia. .
Malos usos comunes de los SPD
Los SPD se han aplicado a circuitos de alimentación durante muchos años. La mayoría de los circuitos eléctricos actuales son sistemas de corriente alterna. Como tal, la mayoría de los equipos de protección contra sobretensiones se han diseñado para su uso en sistemas de CA. La introducción relativamente reciente de grandes sistemas fotovoltaicos comerciales y a escala de servicios públicos y el número creciente de sistemas implementados ha llevado, desafortunadamente, a la aplicación incorrecta en el lado de CC de los SPD diseñados para sistemas de CA. En estos casos, los SPD funcionan incorrectamente, especialmente durante su modo de falla, debido a las características de los sistemas fotovoltaicos de CC.
Los MOV ofrecen excelentes características para servir como SPD. Si se clasifican correctamente y se aplican correctamente, funcionan de manera de calidad para esa función. Sin embargo, como todos los productos eléctricos, pueden fallar. La falla puede ser causada por calentamiento ambiental, descargas de corrientes mayores que las que el dispositivo está diseñado para manejar, descargas demasiadas veces o exposición a condiciones continuas de sobrevoltaje.
Por lo tanto, los SPD están diseñados con un interruptor de desconexión operado térmicamente que los separa de la conexión en paralelo al circuito de CC energizado en caso de que sea necesario. Dado que algo de corriente fluye cuando el SPD entra en modo de falla, aparece un ligero arco cuando opera el interruptor de desconexión térmica. Cuando se aplica en un circuito de CA, el primer cruce por cero de la corriente suministrada por el generador extingue ese arco y el SPD se retira de manera segura del circuito. Si ese mismo SPD de CA se aplica al lado de CC de un sistema fotovoltaico, especialmente los voltajes altos, no hay cruce por cero de la corriente en una forma de onda de CC. El interruptor normal operado térmicamente no puede extinguir la corriente del arco y el dispositivo falla.
La colocación de un circuito de derivación con fusibles en paralelo alrededor del MOV es un método para superar la extinción del arco de falla de CC. Si funciona la desconexión térmica, todavía aparece un arco a través de sus contactos de apertura; pero esa corriente de arco se redirige a una ruta paralela que contiene un fusible donde el arco se extingue y el fusible interrumpe la corriente de falla.
La fusión aguas arriba antes del SPD, como se puede aplicar en sistemas de CA, no es apropiada en sistemas de CC. La corriente disponible en cortocircuito para operar el fusible (como en un dispositivo de protección contra sobrecorriente) puede no ser suficiente cuando el generador tiene una potencia de salida reducida. Como consecuencia, algunos fabricantes de SPD han tenido esto en cuenta en su diseño. UL ha modificado su estándar anterior al complementar el último estándar de protección contra sobretensiones: UL 1449. Esta tercera edición es específicamente aplicable a los sistemas fotovoltaicos.
Lista de verificación de SPD
A pesar del alto riesgo de rayos al que están expuestas muchas instalaciones fotovoltaicas, pueden protegerse mediante la aplicación de SPD y un sistema de protección contra rayos debidamente diseñado. La implementación eficaz del SPD debe incluir las siguientes consideraciones:
- Colocación correcta en el sistema
- Requisitos de fin de contrato
- Conexión y conexión a tierra adecuadas del sistema de tierra del equipo
- Grado de descarga
- Nivel de protección de voltaje
- Idoneidad para el sistema en cuestión, incluidas aplicaciones de CC frente a CA
- Modo de fallo
- Indicación de estado local y remota
- Módulos fácilmente reemplazables
- El funcionamiento normal del sistema no debe verse afectado, específicamente en sistemas que no son de energía.
