Protección contra rayos y sobretensiones para sistemas fotovoltaicos en tejados
En la actualidad, se instalan muchos sistemas fotovoltaicos. Sobre la base del hecho de que la electricidad autogenerada es generalmente más barata y proporciona un alto grado de independencia eléctrica de la red, los sistemas fotovoltaicos se convertirán en una parte integral de las instalaciones eléctricas en el futuro. Sin embargo, estos sistemas están expuestos a todas las condiciones climáticas y deben resistirlas durante décadas.
Los cables de los sistemas fotovoltaicos entran con frecuencia en el edificio y se extienden a grandes distancias hasta llegar al punto de conexión a la red.
Las descargas de rayos provocan interferencias eléctricas conducidas y basadas en el campo. Este efecto aumenta en relación con el aumento de la longitud de los cables o los bucles conductores. Las sobretensiones no solo dañan los módulos fotovoltaicos, los inversores y su electrónica de control, sino también los dispositivos de la instalación del edificio.
Más importante aún, las instalaciones de producción de los edificios industriales también pueden dañarse fácilmente y la producción puede detenerse.
Si se inyectan sobretensiones en sistemas que están lejos de la red eléctrica, lo que también se conoce como sistemas fotovoltaicos independientes, el funcionamiento de los equipos alimentados por electricidad solar (por ejemplo, equipos médicos, suministro de agua) puede verse interrumpido.
La necesidad de un sistema de protección contra rayos en la azotea
La energía liberada por la descarga de un rayo es una de las causas más frecuentes del incendio. Por lo tanto, la protección personal y contra incendios es de suma importancia en caso de un rayo directo al edificio.
En la etapa de diseño de un sistema fotovoltaico, es evidente si un sistema de protección contra rayos está instalado en un edificio. Las regulaciones de construcción de algunos países requieren que los edificios públicos (por ejemplo, lugares de reunión pública, escuelas y hospitales) estén equipados con un sistema de protección contra rayos. En el caso de edificios industriales o privados, depende de su ubicación, tipo de construcción y utilización si se debe instalar un sistema de protección contra rayos. Para ello, se debe determinar si es de esperar que caigan rayos o si podrían tener consecuencias graves. Las estructuras que necesiten protección deben estar provistas de sistemas de protección contra rayos permanentemente eficaces.
Según el estado de los conocimientos científicos y técnicos, la instalación de módulos fotovoltaicos no aumenta el riesgo de caída de rayo. Por tanto, la solicitud de medidas de protección contra el rayo no puede derivarse directamente de la mera existencia de un sistema fotovoltaico. Sin embargo, estos sistemas pueden inyectar interferencias sustanciales de rayos en el edificio.
Por lo tanto, es necesario determinar el riesgo resultante de la caída de un rayo según IEC 62305-2 (EN 62305-2) y tener en cuenta los resultados de este análisis de riesgo al instalar el sistema fotovoltaico.
La sección 4.5 (Gestión de riesgos) del Suplemento 5 de la norma alemana DIN EN 62305-3 describe que un sistema de protección contra rayos diseñado para la clase de LPS III (LPL III) cumple los requisitos habituales para sistemas fotovoltaicos. Además, las medidas adecuadas de protección contra rayos se enumeran en la directriz alemana VdS 2010 (Protección contra rayos y sobretensiones orientada al riesgo) publicada por la Asociación Alemana de Seguros. Esta directriz también requiere que se instale LPL III y, por lo tanto, un sistema de protección contra rayos de acuerdo con la clase de LPS III para sistemas fotovoltaicos en tejados (> 10 kWp) y que se tomen medidas de protección contra sobretensiones. Como regla general, los sistemas fotovoltaicos de azotea no deben interferir con las medidas de protección contra rayos existentes.
La necesidad de protección contra sobretensiones para sistemas fotovoltaicos
En caso de descarga de un rayo, se inducen sobretensiones en los conductores eléctricos. Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) que deben instalarse antes de los dispositivos a proteger en el lado de CA, CC y de datos han demostrado ser muy efectivos para proteger los sistemas eléctricos de estos picos de voltaje destructivos. La sección 9.1 de la norma CENELEC CLC / TS 50539-12 (Principios de selección y aplicación - SPD conectados a instalaciones fotovoltaicas) exige la instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones a menos que un análisis de riesgo demuestre que no se requieren SPD. De acuerdo con la norma IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44), los dispositivos de protección contra sobretensiones también deben instalarse en edificios sin sistema externo de protección contra rayos, como edificios comerciales e industriales, por ejemplo, instalaciones agrícolas. El Suplemento 5 de la norma alemana DIN EN 62305-3 proporciona una descripción detallada de los tipos de SPD y su lugar de instalación.
Enrutamiento de cables de sistemas fotovoltaicos
Los cables deben tenderse de tal manera que se eviten grandes bucles conductores. Esto debe tenerse en cuenta al combinar los circuitos de CC para formar una cadena y al interconectar varias cadenas. Además, las líneas de datos o sensores no deben enrutarse en varias cadenas y formar grandes bucles conductores con las líneas de cadena. Esto también debe tenerse en cuenta al conectar el inversor a la red. Por este motivo, las líneas de alimentación (cc y ca) y de datos (p. Ej. Sensor de radiación, control de rendimiento) deben enrutarse junto con los conductores de compensación de potencial a lo largo de todo su recorrido.
Puesta a tierra de sistemas fotovoltaicos
Los módulos fotovoltaicos generalmente se fijan en sistemas de montaje de metal. Los componentes fotovoltaicos activos en el lado de CC cuentan con aislamiento doble o reforzado (comparable al aislamiento protector anterior) como se requiere en la norma IEC 60364-4-41. La combinación de numerosas tecnologías en el lado del módulo y del inversor (por ejemplo, con o sin aislamiento galvánico) da como resultado diferentes requisitos de conexión a tierra. Además, el sistema de control de aislamiento integrado en los inversores solo es efectivo de forma permanente si el sistema de montaje está conectado a tierra. La información sobre la implementación práctica se proporciona en el Suplemento 5 de la norma alemana DIN EN 62305-3. La subestructura metálica está conectada a tierra funcionalmente si el sistema fotovoltaico está ubicado en el volumen protegido de los sistemas de captación y se mantiene la distancia de separación. La sección 7 del Suplemento 5 requiere conductores de cobre con una sección transversal de al menos 6 mm.2 o equivalente para puesta a tierra funcional (Figura 1). Los rieles de montaje también deben estar interconectados permanentemente por medio de conductores de esta sección transversal. Si el sistema de montaje está conectado directamente al sistema externo de protección contra rayos debido a que no se puede mantener la distancia de separación s, estos conductores pasan a formar parte del sistema de compensación de potencial de rayos. En consecuencia, estos elementos deben ser capaces de transportar corrientes de rayo. El requisito mínimo para un sistema de protección contra rayos diseñado para una clase de LPS III es un conductor de cobre con una sección transversal de 16 mm.2 o equivalente. Además, en este caso, los rieles de montaje deben estar interconectados permanentemente mediante conductores de esta sección (Figura 2). El conductor de conexión equipotencial de conexión a tierra / relámpago funcional debe colocarse en paralelo y lo más cerca posible de los cables / líneas de CC y CA.
Las abrazaderas de puesta a tierra UNI (Figura 3) se pueden fijar en todos los sistemas de montaje habituales. Conectan, por ejemplo, conductores de cobre con una sección transversal de 6 o 16 mm.2 y cables de tierra desnudos con un diámetro de 8 a 10 mm al sistema de montaje de tal manera que puedan llevar corrientes de rayo. La placa de contacto integrada de acero inoxidable (V4A) garantiza la protección contra la corrosión de los sistemas de montaje de aluminio.
Distancia de separación s según IEC 62305-3 (EN 62305-3) Debe mantenerse una cierta distancia de separación s entre un sistema de protección contra rayos y un sistema fotovoltaico. Define la distancia requerida para evitar descargas eléctricas incontroladas a las partes metálicas adyacentes como resultado de un rayo al sistema externo de protección contra rayos. En el peor de los casos, una descarga disruptiva incontrolada puede incendiar un edificio. En este caso, el daño al sistema fotovoltaico se vuelve irrelevante.
Sombras centrales en células solares
La distancia entre el generador solar y el sistema externo de protección contra rayos es absolutamente esencial para evitar un sombreado excesivo. Las sombras difusas proyectadas, por ejemplo, por líneas aéreas, no afectan significativamente al sistema fotovoltaico ni al rendimiento. Sin embargo, en el caso de las sombras del núcleo, se proyecta una sombra oscura claramente delineada en la superficie detrás de un objeto, cambiando la corriente que fluye a través de los módulos fotovoltaicos. Por esta razón, las células solares y los diodos de derivación asociados no deben verse afectados por las sombras del núcleo. Esto se puede lograr manteniendo una distancia suficiente. Por ejemplo, si una varilla de toma de aire con un diámetro de 10 mm sombrea un módulo, la sombra del núcleo se reduce constantemente a medida que aumenta la distancia desde el módulo. Después de 1.08 m solo se proyecta una sombra difusa sobre el módulo (Figura 4). El Anexo A del Suplemento 5 de la norma alemana DIN EN 62305-3 proporciona información más detallada sobre el cálculo de las sombras del núcleo.
Dispositivos especiales de protección contra sobretensiones para el lado dc a de los sistemas fotovoltaicos
Las características U / I de las fuentes de corriente fotovoltaica son muy diferentes a las de las fuentes de CC convencionales: tienen una característica no lineal (Figura 5) y provocan la persistencia a largo plazo de los arcos encendidos. Esta naturaleza única de las fuentes de corriente fotovoltaica no solo requiere interruptores fotovoltaicos y fusibles fotovoltaicos más grandes, sino también un seccionador para el dispositivo de protección contra sobretensiones que se adapta a esta naturaleza única y es capaz de hacer frente a las corrientes fotovoltaicas. El Suplemento 5 de la norma alemana DIN EN 62305-3 (subsección 5.6.1, Tabla 1) describe la selección de DPS adecuados.
Para facilitar la selección de los DPS de tipo 1, las Tablas 1 y 2 muestran la capacidad de transporte de corriente de impulso de rayo requerida Idiablillo dependiendo de la clase de LPS, varios conductores de bajada de los sistemas de protección contra rayos externos, así como del tipo SPD (descargador basado en varistor limitador de tensión o descargador basado en descarga de chispas con conmutación de tensión). Deben utilizarse DPS que cumplan con la norma EN 50539-11 aplicable. La subsección 9.2.2.7 de CENELEC CLC / TS 50539-12 también se refiere a esta norma.
Descargador de CC tipo 1 para uso en sistemas fotovoltaicos:
Descargador de corriente continua combinado multipolo tipo 1 + tipo 2 FLP7-PV. Este dispositivo de conmutación de CC consta de un dispositivo combinado de desconexión y cortocircuito con control térmico dinámico y un fusible en la ruta de derivación. Este circuito desconecta de forma segura el descargador de la tensión del generador en caso de sobrecarga y extingue de forma fiable los arcos de CC. De esta forma, permite proteger generadores fotovoltaicos de hasta 1000 A sin un fusible de respaldo adicional. Este descargador combina un descargador de corrientes de rayo y un descargador de sobretensiones en un solo dispositivo, lo que garantiza una protección eficaz de los equipos terminales. Con su capacidad de descarga yototal de 12.5 kA (10/350 μs), se puede utilizar de forma flexible para las clases más altas de LPS. FLP7-PV está disponible para voltajes UPúblicos de 600 V, 1000 V y 1500 V y tiene un ancho de solo 3 módulos. Por lo tanto, FLP7-PV es el descargador combinado de tipo 1 ideal para su uso en sistemas de suministro de energía fotovoltaica.
Los SPD de tipo 1 basados en descarga de chispas de conmutación de voltaje, por ejemplo, FLP12,5-PV, es otra tecnología potente que permite descargar corrientes de rayo parciales en el caso de sistemas fotovoltaicos de CC. Gracias a su tecnología de descarga de chispas y un circuito de extinción de CC que permite proteger de manera eficiente los sistemas electrónicos aguas abajo, esta serie de pararrayos tiene una capacidad de descarga de corrientes de rayo extremadamente alta Itotal de 50 kA (10/350 μs) que es único en el mercado.
Descargador de CC tipo 2 para uso en sistemas fotovoltaicos: SLP40-PV
El funcionamiento confiable de los SPD en circuitos fotovoltaicos de CC también es indispensable cuando se utilizan dispositivos de protección contra sobretensiones de tipo 2. Con este fin, los descargadores de sobretensiones de la serie SLP40-PV también cuentan con un circuito de protección en Y resistente a fallas y también se conectan a generadores fotovoltaicos de hasta 1000 A sin un fusible de respaldo adicional.
Las numerosas tecnologías combinadas en estos descargadores evitan daños en el dispositivo de protección contra sobretensiones debido a fallas de aislamiento en el circuito fotovoltaico, el riesgo de incendio de un descargador sobrecargado y ponen al descargador en un estado eléctrico seguro sin interrumpir el funcionamiento del sistema fotovoltaico. Gracias al circuito de protección, la característica de limitación de voltaje de los varistores se puede utilizar completamente incluso en los circuitos de CC de los sistemas fotovoltaicos. Además, el dispositivo de protección contra sobretensiones permanentemente activo minimiza numerosos picos de tensión pequeños.
Selección de SPD según el nivel de protección de tensión Up
La tensión de funcionamiento en el lado de CC de los sistemas fotovoltaicos difiere de un sistema a otro. En la actualidad, son posibles valores de hasta 1500 V CC. En consecuencia, la rigidez dieléctrica de los equipos terminales también difiere. Para garantizar que el sistema fotovoltaico esté protegido de forma fiable, el nivel de protección de tensión Up al SPD debe ser menor que la rigidez dieléctrica del sistema fotovoltaico que se supone que debe proteger. El estándar CENELEC CLC / TS 50539-12 requiere que Up sea al menos un 20% más bajo que la rigidez dieléctrica del sistema fotovoltaico. Los SPD de tipo 1 o tipo 2 deben coordinarse energéticamente con la entrada del equipo terminal. Si los SPD ya están integrados en el equipo terminal, el fabricante garantiza la coordinación entre el SPD tipo 2 y el circuito de entrada del equipo terminal.
Ejemplos de aplicación:
Edificio sin sistema externo de protección contra rayos (situación A)
La Figura 12 muestra el concepto de protección contra sobretensiones para un sistema fotovoltaico instalado en un edificio sin sistema externo de protección contra rayos. Las sobretensiones peligrosas ingresan al sistema fotovoltaico debido al acoplamiento inductivo resultante de los rayos cercanos o viajan desde el sistema de suministro de energía a través de la entrada de servicio a la instalación del consumidor. Los SPD de tipo 2 deben instalarse en las siguientes ubicaciones:
- lado dc de los módulos e inversores
- salida ac del inversor
- Cuadro principal de distribución de baja tensión
- Interfaces de comunicación por cable
Cada entrada de CC (MPP) del inversor debe estar protegida por un dispositivo de protección contra sobretensiones de tipo 2, por ejemplo, la serie SLP40-PV, que protege de manera confiable el lado de CC de los sistemas fotovoltaicos. La norma CENELEC CLC / TS 50539-12 requiere que se instale un descargador de CC de tipo 2 adicional en el lado del módulo si la distancia entre la entrada del inversor y el generador fotovoltaico supera los 10 m.
Las salidas de CA de los inversores están suficientemente protegidas si la distancia entre los inversores fotovoltaicos y el lugar de instalación del descargador de tipo 2 en el punto de conexión a la red (alimentación de baja tensión) es inferior a 10 m. En caso de mayor longitud de cable, se debe instalar un dispositivo de protección contra sobretensiones adicional de tipo 2, por ejemplo, de la serie SLP40-275, antes de la entrada de CA del inversor según CENELEC CLC / TS 50539-12.
Además, se debe instalar un dispositivo de protección contra sobretensiones de la serie SLP2-40 tipo 275 antes del medidor de la alimentación de baja tensión. CI (Interrupción de circuito) significa un fusible coordinado integrado en la ruta de protección del descargador, lo que permite que el descargador se utilice en un circuito de CA sin un fusible de respaldo adicional. La serie SLP40-275 está disponible para todas las configuraciones de sistemas de bajo voltaje (TN-C, TN-S, TT).
Si los inversores están conectados a líneas de datos y sensores para monitorear el rendimiento, se requieren dispositivos de protección contra sobretensiones adecuados. La serie FLD2, que cuenta con terminales para dos pares, por ejemplo para líneas de datos entrantes y salientes, se puede utilizar para sistemas de datos basados en RS 485.
Edificio con sistema externo de protección contra rayos y suficiente distancia de separación s (situación B)
Figura 13 y XNUMX muestra el concepto de protección contra sobretensiones para un sistema fotovoltaico con sistema de protección contra rayos externo y una distancia de separación suficiente s entre el sistema fotovoltaico y el sistema de protección contra rayos externo.
El objetivo de protección principal es evitar daños a las personas y la propiedad (incendio de un edificio) como resultado de un rayo. En este contexto, es importante que el sistema fotovoltaico no interfiera con el sistema externo de protección contra rayos. Además, el sistema fotovoltaico en sí debe protegerse de los rayos directos. Esto significa que el sistema fotovoltaico debe instalarse en el volumen protegido del sistema externo de protección contra rayos. Este volumen protegido está formado por sistemas de captación (p. Ej. Varillas captadoras) que evitan la caída directa de rayos sobre los módulos fotovoltaicos y los cables. El método del ángulo protector (Figura 14) o método de esfera rodante (Figura 15) como se describe en la subsección 5.2.2 de la norma IEC 62305-3 (EN 62305-3) se puede utilizar para determinar este volumen protegido. Se debe mantener una cierta distancia de separación s entre todas las partes conductoras del sistema fotovoltaico y el sistema de protección contra rayos. En este contexto, las sombras del núcleo deben evitarse, por ejemplo, manteniendo una distancia suficiente entre las barras captadoras y el módulo fotovoltaico.
La conexión equipotencial contra rayos es una parte integral de un sistema de protección contra rayos. Debe implementarse para todos los sistemas conductores y las líneas que ingresan al edificio y que pueden transportar corrientes de rayos. Esto se logra conectando directamente todos los sistemas metálicos e indirectamente conectando todos los sistemas energizados a través de pararrayos tipo 1 al sistema de puesta a tierra. La conexión equipotencial contra rayos debe implementarse lo más cerca posible del punto de entrada al edificio para evitar que entren corrientes parciales del rayo. El punto de conexión a la red debe estar protegido por un descargador multipolar de tipo 1 basado en vías de chispas, por ejemplo, un descargador combinado tipo 1 FLP25GR. Este descargador combina un descargador de corrientes de rayo y un descargador de sobretensiones en un solo dispositivo. Si la longitud del cable entre el descargador y el inversor es inferior a 10 m, se proporciona una protección suficiente. En caso de mayores longitudes de cable, se deben instalar dispositivos de protección contra sobretensiones de tipo 2 adicionales antes de la entrada de CA de los inversores según CENELEC CLC / TS 50539-12.
Cada cc, la entrada del inversor debe estar protegida por un descargador fotovoltaico de tipo 2, por ejemplo, de la serie SLP40-PV (Figura 16). Esto también se aplica a los dispositivos sin transformador. Si los inversores están conectados a líneas de datos, por ejemplo, para controlar el rendimiento, se deben instalar dispositivos de protección contra sobretensiones para proteger la transmisión de datos. Para este propósito, la serie FLPD2 se puede proporcionar para líneas con la señal analógica y sistemas de bus de datos como RS485. Detecta la tensión de funcionamiento de la señal útil y ajusta el nivel de protección de tensión a esta tensión de funcionamiento.
Conductor HVI aislado resistente a alto voltaje
Otra posibilidad para mantener las distancias de separación es utilizar conductores HVI aislados y resistentes a altas tensiones que permiten mantener una distancia de separación s de hasta 0.9 m en el aire. Los conductores HVI pueden entrar en contacto directo con el sistema fotovoltaico aguas abajo del rango del extremo de sellado. En esta Guía de protección contra rayos o en las instrucciones de instalación correspondientes, se proporciona información más detallada sobre la aplicación e instalación de los conductores HVI.
Edificio con sistema externo de protección contra rayos con distancias de separación insuficientes (situación C)
Si el techo está hecho de metal o está formado por el propio sistema fotovoltaico, la distancia de separación s no se puede mantener. Los componentes metálicos del sistema de montaje fotovoltaico deben conectarse al sistema de protección contra rayos externo de tal manera que puedan transportar corrientes de rayo (conductor de cobre con una sección transversal de al menos 16 mm2 o equivalente). Esto significa que también se debe implementar la conexión equipotencial de rayos para las líneas fotovoltaicas que ingresan al edificio desde el exterior (Figura 17). Según el Suplemento 5 de la norma alemana DIN EN 62305-3 y la norma CENELEC CLC / TS 50539-12, las líneas de CC deben estar protegidas por un SPD tipo 1 para sistemas fotovoltaicos.
Para ello, se utiliza un descargador combinado tipo 1 y tipo 2 FLP7-PV. La conexión equipotencial contra rayos también se debe implementar en la alimentación de baja tensión. Si los inversores fotovoltaicos están situados a más de 10 m del SPD de tipo 1 instalado en el punto de conexión a la red, se debe instalar un SPD de tipo 1 adicional en el lado de CA del inversor (es) (por ejemplo, el tipo 1). + descargador combinado tipo 2 FLP25GR). También se deben instalar dispositivos de protección contra sobretensiones adecuados para proteger las líneas de datos relevantes para el monitoreo del rendimiento. Los dispositivos de protección contra sobretensiones de la serie FLD2 se utilizan para proteger sistemas de datos, por ejemplo, basados en RS 485.
Sistemas fotovoltaicos con microinversores
Los microinversores requieren un concepto de protección contra sobretensiones diferente. Para ello, la CC de la línea de un módulo o un par de módulos se conecta directamente al inversor de pequeño tamaño. En este proceso, deben evitarse bucles conductores innecesarios. El acoplamiento inductivo en estructuras de cd tan pequeñas normalmente solo tiene un potencial de destrucción energético bajo. El cableado extenso de un sistema fotovoltaico con microinversores se encuentra en el lado de CA (Figura 18). Si el microinversor se instala directamente en el módulo, los dispositivos de protección contra sobretensiones solo se pueden instalar en el lado de CA:
- Edificios sin sistema externo de protección contra rayos = pararrayos SLP2-40 tipo 275 para corriente alterna / trifásica en las proximidades de los microinversores y SLP40-275 en la alimentación de baja tensión.
- Edificios con sistema externo de protección contra rayos y suficiente distancia de separación s = descargadores de tipo 2, por ejemplo, SLP40-275, en las proximidades de los microinversores y descargadores de tipo 1 portadores de corrientes de rayo en la alimentación de baja tensión, por ejemplo, FLP25GR.
- Edificios con sistema externo de protección contra rayos y distancia de separación insuficiente s = pararrayos tipo 1, por ejemplo, SLP40-275, en las proximidades de los microinversores y pararrayos portadores de tipo 1 FLP25GR en la alimentación de baja tensión.
Independientemente de los fabricantes en particular, los microinversores cuentan con sistemas de monitoreo de datos. Si los datos se modulan a las líneas de CA a través de los microinversores, se debe proporcionar un dispositivo de protección contra sobretensiones en las unidades receptoras separadas (exportación de datos / procesamiento de datos). Lo mismo se aplica a las conexiones de interfaz con sistemas de bus descendentes y su alimentación de tensión (p. Ej. Ethernet, ISDN).
Los sistemas de generación de energía solar son una parte integral de los sistemas eléctricos actuales. Deben estar equipados con descargadores de sobretensiones y corrientes de rayo adecuados, asegurando así un funcionamiento impecable a largo plazo de estas fuentes de electricidad.
