Dispositivos de protección contra sobretensións de CC para instalacións fotovoltaicas
Dispositivo de protección contra sobretensións de caixa combinadora fotovoltaica de panel solar
Debido a que os dispositivos de protección contra sobretensións de CC para instalacións fotovoltaicas deben estar deseñados para proporcionar unha exposición total á luz solar, son altamente vulnerables aos efectos dos raios. A capacidade dunha matriz fotovoltaica está directamente relacionada coa súa superficie exposta, polo que o impacto potencial dos lóstregos aumenta co tamaño do sistema. Cando as aparicións de iluminación son frecuentes, os sistemas fotovoltaicos non protexidos poden sufrir danos repetidos e significativos nos compoñentes clave. Isto resulta en custos substanciais de reparación e substitución, tempos de inactividade do sistema e perda de ingresos. Os dispositivos de protección contra sobretensións (SPD) debidamente deseñados, especificados e instalados minimizan o impacto potencial dos acontecementos de raios cando se usan xunto con sistemas de protección contra raios.
Un sistema de protección contra raios que incorpora elementos básicos como terminais de aire, condutores de baixada axeitados, unión equipotencial para todos os compoñentes que transportan corrente e principios axeitados de posta a terra proporciona un dosel de protección contra golpes directos. Se hai algunha preocupación sobre o risco de raios no seu sitio fotovoltaico, recomendo encarecidamente que contrate a un enxeñeiro eléctrico profesional con experiencia neste campo para proporcionar un estudo de avaliación de riscos e un deseño do sistema de protección se é necesario.
É importante comprender a diferenza entre os sistemas de protección contra raios e os SPD. O propósito dun sistema de protección contra raios é canalizar un raio directo a través de condutores substanciais que transportan corrente á terra, evitando así que as estruturas e os equipos estean no camiño desa descarga ou sexan directamente golpeados. Os SPD aplícanse aos sistemas eléctricos para proporcionar un camiño de descarga á terra para aforrar que os compoñentes destes sistemas estean expostos aos transitorios de alta tensión causados polos efectos directos ou indirectos de raios ou anomalías do sistema de enerxía. Mesmo cun sistema de protección contra raios externo no seu lugar, sen SPD, os efectos dos raios poden causar danos importantes aos compoñentes.
Para os efectos deste artigo, supoño que existe algunha forma de protección contra raios e examino os tipos, funcións e beneficios do uso adicional de SPD axeitados. En combinación cun sistema de protección contra raios adecuadamente deseñado, o uso de SPD nos lugares clave do sistema protexe compoñentes importantes como inversores, módulos, equipos en caixas combinadoras e sistemas de medición, control e comunicacións.
A importancia dos SPD
Ademais das consecuencias dos raios directos ás matrices, o cableado de enerxía de interconexión é moi susceptible a transitorios inducidos electromagnéticamente. Os transitorios causados directa ou indirectamente por un raio, así como os transitorios xerados por funcións de conmutación de utilidade, expoñen os equipos eléctricos e electrónicos a sobretensións moi altas de moi curta duración (decenas a centos de microsegundos). A exposición a estas tensións transitorias pode causar unha falla catastrófica dos compoñentes que pode ser perceptible por danos mecánicos e seguimento de carbono ou ser inadvertida pero aínda así pode provocar unha falla no equipo ou no sistema.
A exposición a longo prazo a transitorios de menor magnitude deteriora o material dieléctrico e illante nos equipos do sistema fotovoltaico ata que se produza unha avaría final. Ademais, poden aparecer transitorios de tensión nos circuítos de medida, control e comunicación. Eses transitorios poden parecer sinais ou información erróneas, o que provoca que o equipo funcione mal ou se apague. A colocación estratéxica dos SPD mitiga estes problemas porque funcionan como dispositivos de cortocircuíto ou de suxeición.
Características técnicas dos SPD
A tecnoloxía SPD máis común empregada en aplicacións fotovoltaicas é o varistor de óxido metálico (MOV), que funciona como un dispositivo de suxeición de tensión. Outras tecnoloxías SPD inclúen o diodo de avalancha de silicio, as brechas controladas e os tubos de descarga de gas. Estes dous últimos son dispositivos de conmutación que aparecen como curtocircuítos ou palangres. Cada tecnoloxía ten as súas propias características, o que o fai máis ou menos axeitado para unha aplicación específica. As combinacións destes dispositivos tamén se poden coordinar para proporcionar características máis óptimas das que ofrecen individualmente. A táboa 1 lista os principais tipos de SPD utilizados nos sistemas fotovoltaicos e detalla as súas características operativas xerais.
Un SPD debe ser capaz de cambiar de estado o suficientemente rápido durante o breve tempo que está presente un transitorio e descargar a magnitude da corrente transitoria sen fallar. O dispositivo tamén debe minimizar a caída de tensión no circuíto SPD para protexer o equipo ao que está conectado. Finalmente, a función SPD non debe interferir coa función normal dese circuíto.
As características de funcionamento do SPD están definidas por varios parámetros que calquera que faga a selección dos SPD debe entender. Este tema require máis detalles que se poden tratar aquí, pero algúns dos parámetros que se deben ter en conta son: tensión máxima de funcionamento continuo, aplicación de corrente alterna ou continua, corrente de descarga nominal (definida por unha magnitude e forma de onda), nivel de protección de tensión (o tensión terminal que está presente cando o SPD está a descargar unha corrente específica) e sobretensión temporal (unha sobretensión continua que se pode aplicar durante un tempo específico sen danar o SPD).
Os SPD que utilizan diferentes tecnoloxías de compoñentes pódense colocar nos mesmos circuítos. Non obstante, deben seleccionarse con coidado para garantir a coordinación enerxética entre eles. A tecnoloxía de compoñentes con maior índice de descarga debe descargar a maior magnitude da corrente transitoria dispoñible mentres que a outra tecnoloxía compoñente reduce a tensión transitoria residual a unha magnitude inferior xa que descarga unha corrente menor.
O SPD debe ter un dispositivo de autoprotección integral que o desconecte do circuíto en caso de fallo do dispositivo. Para facer evidente esta desconexión, moitos SPD amosan unha bandeira que indica o seu estado de desconexión. Indicar o estado do SPD mediante un conxunto auxiliar de contactos é unha característica mellorada que pode proporcionar un sinal a unha localización remota. Outra característica importante do produto a ter en conta é se o SPD utiliza un módulo extraíble e seguro para os dedos que permite substituír facilmente un módulo fallido sen ferramentas ou a necesidade de desactivar o circuíto.
Dispositivos de protección contra sobretensións de CA para instalacións fotovoltaicas Consideracións
Os lóstregos das nubes ao sistema de protección contra raios, á estrutura fotovoltaica ou a unha terra próxima provocan un aumento local do potencial do terreo con respecto ás referencias do chan distante. Os condutores que abarcan estas distancias expoñen o equipo a tensións significativas. Os efectos dos aumentos do potencial de terra experimentanse principalmente no punto de conexión entre un sistema fotovoltaico conectado á rede e a utilidade na entrada do servizo, o punto no que a terra local está conectada eléctricamente a unha terra referenciada distante.
A protección contra sobretensións debe colocarse na entrada do servizo para protexer o lado de utilidade do inversor de transitorios danadores. Os transitorios que se ven neste lugar teñen unha magnitude e unha duración elevadas e, polo tanto, deben ser xestionados por protección contra sobretensións cunha potencia de descarga adecuada de alta. As lagoas de chispa controladas empregadas en coordinación cos MOV son ideais para este propósito. A tecnoloxía Spark gap pode descargar correntes de raios elevadas proporcionando unha función de conexión equipotencial durante o transitorio de raios. O MOV coordinado ten a capacidade de fixar a tensión residual a un nivel aceptable.
Ademais dos efectos do aumento do potencial do chan, o lado ca do inversor pode verse afectado por transitorios inducidos por un raio e conmutación de utilidade que tamén aparecen na entrada do servizo. Para minimizar os danos potenciais dos equipos, debe aplicarse unha protección contra sobretensións de CA adecuada o máis preto posible dos terminais de corrente alterna do inversor, co percorrido máis curto e máis recto para condutores de área transversal suficiente. O non aplicar este criterio de deseño resulta nunha caída de tensión máis alta do necesario no circuíto SPD durante a descarga e expón o equipo protexido a tensións transitorias máis altas das necesarias.
Dispositivos de protección contra sobretensións de CC para instalacións fotovoltaicas Consideracións
Os ataques directos a estruturas a terra próximas (incluído o sistema de protección contra raios) e os flashes inter e intra-nube que poden ter magnitudes de 100 kA poden causar campos magnéticos asociados que inducan correntes transitorias no cableado de corrente continua do sistema PV. Estas tensións transitorias aparecen nos terminais dos equipos e provocan fallos no illamento e dieléctricos dos compoñentes clave.
A colocación de SPD en lugares especificados mitiga o efecto destas correntes de raios inducidas e parciais. O SPD colócase en paralelo entre os condutores con enerxía e o chan. Cambia o estado dun dispositivo de alta impedancia a un dispositivo de baixa impedancia cando se produce a sobretensión. Nesta configuración, o SPD descarga a corrente transitoria asociada, minimizando a sobretensión que doutro xeito estaría presente nos terminais do equipo. Este dispositivo paralelo non leva corrente de carga. O SPD seleccionado debe estar deseñado, clasificado e aprobado especificamente para a súa aplicación en tensións fotovoltaicas de corrente continua. A desconexión SPD integral debe ser capaz de interromper o arco de corrente continua máis grave, que non se atopa nas aplicacións de ca.
A conexión de módulos MOV nunha configuración Y é unha configuración SPD de uso común en grandes sistemas fotovoltaicos comerciais e de escala de utilidade que operan a unha tensión máxima de circuíto aberto de 600 ou 1,000 Vdc. Cada pata do Y contén un módulo MOV conectado a cada polo e a terra. Nun sistema sen terra, hai dous módulos entre cada polo e entre ambos polo e terra. Nesta configuración, cada módulo está clasificado para a metade da tensión do sistema, polo que aínda que se produza unha falla de polo a terra, os módulos MOV non superan o seu valor nominal.
Consideracións sobre a protección contra sobretensións do sistema sen enerxía
Do mesmo xeito que os equipos e compoñentes do sistema de enerxía son susceptibles aos efectos do raio, tamén o son os equipos dos sistemas de medida, control, instrumentación, SCADA e comunicacións asociados a estas instalacións. Nestes casos, o concepto básico de protección contra sobretensións é o mesmo que nos circuítos de potencia. Non obstante, debido a que este equipo adoita ser menos tolerante aos impulsos de sobretensión e máis susceptible a sinais erróneos e a ser afectado negativamente pola adición de compoñentes en serie ou paralelos aos circuítos, débese prestar maior coidado ás características de cada SPD engadido. Os SPD específicos solicítanse segundo se estes compoñentes se comunican a través de pares trenzados, CAT 6 Ethernet ou RF coaxial. Ademais, os SPD seleccionados para circuítos sen enerxía deben ser capaces de descargar as correntes transitorias sen fallas, proporcionar un nivel de protección de voltaxe adecuado e absterse de interferir coa función do sistema, incluíndo a impedancia en serie, a liña a liña e a capacidade de terra e o ancho de banda de frecuencia. .
Aplicacións erróneas comúns dos SPD
Os SPD aplicáronse aos circuítos de enerxía durante moitos anos. A maioría dos circuítos de potencia contemporáneos son sistemas de corrente alterna. Como tal, a maioría dos equipos de protección contra sobretensións foron deseñados para o seu uso en sistemas de corrente alterna. A introdución relativamente recente de grandes sistemas fotovoltaicos comerciais e a escala de utilidade e o número crecente de sistemas despregados, desgraciadamente, levou á mala aplicación ao lado dc dos SPD deseñados para sistemas de corrente alterna. Nestes casos, os SPD teñen un rendemento inadecuado, especialmente durante o seu modo de fallo, debido ás características dos sistemas fotovoltaicos de corrente continua.
Os MOV ofrecen excelentes características para servir como SPD. Se se clasifican correctamente e se aplican correctamente, desempeñan unha calidade para esa función. Non obstante, como todos os produtos eléctricos, poden fallar. O fallo pode ser causado pola calefacción ambiental, a descarga de correntes superiores ao que o dispositivo está deseñado para manexar, a descarga demasiadas veces ou a exposición a continuas sobretensións.
Polo tanto, os SPD están deseñados cun interruptor de desconexión operado térmicamente que os separa da conexión paralela ao circuíto de corrente alterna en caso de ser necesario. Dado que pasa unha corrente cando o SPD entra en modo de fallo, aparece un lixeiro arco cando o interruptor de desconexión térmica funciona. Cando se aplica nun circuíto de corrente alterna, o primeiro cruce cero da corrente subministrada polo xerador extingue ese arco e o SPD elimínase con seguridade do circuíto. Se ese mesmo SPD de corrente alterna se aplica ao lado de corrente continua dun sistema fotovoltaico, especialmente a alta tensión, non hai cruzamento cero da corrente nunha forma de onda de corrente continua. O interruptor normal de funcionamento térmico non pode extinguir a corrente de arco e o dispositivo falla.
Colocar un circuíto de derivación fusionado paralelo ao redor do MOV é un método para superar a extinción do arco de falla de corrente continua. Se a desconexión térmica funciona, aínda aparece un arco nos seus contactos de apertura; pero esa corrente de arco rediríxese a un camiño paralelo que contén un fusible onde se extingue o arco e o fusible interrompe a corrente de falla.
A fusión ascendente antes do SPD, como se pode aplicar en sistemas de ca, non é apropiada nos sistemas de corrente continua. É posible que a corrente de curtocircuíto dispoñible para operar o fusible (como nun dispositivo de protección contra sobrecorrente) poida que non sexa suficiente cando o xerador ten unha potencia de saída reducida. Como consecuencia, algúns fabricantes de SPD tiveron isto en conta no seu deseño. UL modificou o seu estándar anterior polo seu complemento ao último estándar de protección contra sobretensións — UL 1449. Esta terceira edición aplícase especificamente aos sistemas fotovoltaicos.
Lista de verificación SPD
A pesar do alto risco de raios aos que están expostas moitas instalacións fotovoltaicas, pódense protexer mediante a aplicación de SPD e un sistema de protección contra raios debidamente deseñado. A implementación efectiva do SPD debería incluír as seguintes consideracións:
- Colocación correcta no sistema
- Requisitos de rescisión
- Posta a terra e unión axeitadas do sistema equipo-terra
- Valoración de alta
- Nivel de protección de tensión
- Idoneidade para o sistema en cuestión, incluídas as aplicacións de corrente continua e de corrente alterna
- Modo de fallo
- Indicación de estado local e remoto
- Módulos facilmente substituíbles
- A función normal do sistema non debería verse afectada, especialmente nos sistemas sen enerxía
