Protección contra raios e sobretensións para sistemas fotovoltaicos de tellados

Na actualidade están instalados moitos sistemas fotovoltaicos. Baseándose no feito de que a electricidade autoxerada é xeralmente máis barata e proporciona un alto grao de independencia eléctrica da rede, os sistemas FV pasarán a ser parte integrante das instalacións eléctricas no futuro. Non obstante, estes sistemas están expostos a todas as condicións meteorolóxicas e deben soportalos durante décadas.

Os cables dos sistemas fotovoltaicos adoitan entrar no edificio e esténdense a longas distancias ata chegar ao punto de conexión á rede.

As descargas de raios causan interferencias eléctricas baseadas no campo e conducidas. Este efecto aumenta en relación ao aumento da lonxitude do cable ou dos bucles dos condutores. As sobretensións non só danan os módulos fotovoltaicos, os inversores e a súa electrónica de control, senón tamén os dispositivos da instalación do edificio.

O que é máis importante, as instalacións de produción de edificios industriais tamén poden danarse facilmente e a produción pode deterse.

Se se inxectan sobretensións en sistemas que están lonxe da rede eléctrica, que tamén se denomina sistemas fotovoltaicos autónomos, o funcionamento dos equipos alimentados con electricidade solar (por exemplo, equipos médicos, abastecemento de auga) pode verse interrompido.

A necesidade dun sistema de protección contra raios no tellado

A enerxía liberada por un raio é unha das causas máis frecuentes do lume. Polo tanto, a protección persoal e contra incendios é de suma importancia en caso de raio directo ao edificio.

Na fase de deseño dun sistema fotovoltaico, é evidente se un sistema de protección contra raios está instalado nun edificio. A normativa de construción dalgúns países esixe que os edificios públicos (por exemplo, lugares de reunión pública, escolas e hospitais) estean equipados cun sistema de protección contra raios. No caso de edificios industriais ou privados, depende da súa situación, tipo de construción e utilización se se debe instalar un sistema de protección contra raios. Para iso, débese determinar se se esperan raios ou poden ter consecuencias graves. As estruturas que precisan protección deben estar provistas de sistemas de protección contra raios de forma permanente e efectiva.

Segundo o estado dos coñecementos científicos e técnicos, a instalación de módulos fotovoltaicos non aumenta o risco dun raio. Polo tanto, a solicitude de medidas de protección contra raios non pode derivarse directamente da mera existencia dun sistema fotovoltaico. Non obstante, pódense inxectar substanciais raios no edificio a través destes sistemas.

Polo tanto, é necesario determinar o risco derivado dun raio segundo IEC 62305-2 (EN 62305-2) e ter en conta os resultados desta análise de risco ao instalar o sistema fotovoltaico.

A sección 4.5 (Xestión de riscos) do Suplemento 5 da norma alemá DIN EN 62305-3 describe que un sistema de protección contra raios deseñado para a clase LPS III (LPL III) cumpre os requisitos habituais para os sistemas fotovoltaicos. Ademais, as medidas adecuadas de protección contra raios están listadas na directriz alemá VdS 2010 (protección contra raios e sobretensións orientada ao risco) publicada pola Asociación Alemá de Seguros. Esta pauta tamén require que se instale LPL III e, polo tanto, un sistema de protección contra raios segundo a clase de LPS III para sistemas fotovoltaicos no tellado (> 10 kW)_p) e que se adopten medidas de protección contra sobretensións. Como regra xeral, os sistemas fotovoltaicos no tellado non deben interferir coas medidas de protección contra raios existentes.

A necesidade de protección contra sobretensións para os sistemas fotovoltaicos

En caso de descarga de raios, indúcense sobretensións nos condutores eléctricos. Os dispositivos de protección contra sobretensións (SPD) que deben instalarse augas arriba dos dispositivos a protexer no lado ac, cc e de datos demostraron ser moi eficaces para protexer os sistemas eléctricos destes picos de tensión destrutivos. A sección 9.1 do estándar CENELEC CLC / TS 50539-12 (Principios de selección e aplicación - SPD conectados a instalacións fotovoltaicas) solicita a instalación de dispositivos de protección contra sobretensións a menos que unha análise de risco demostre que non son necesarios SPD. Segundo a norma IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44), os dispositivos de protección contra sobretensións tamén deben instalarse para edificios sen sistema de protección contra raios externo como edificios comerciais e industriais, por exemplo instalacións agrícolas. O suplemento 5 da norma DIN EN 62305-3 alemá ofrece unha descrición detallada dos tipos de SPD e do seu lugar de instalación.

Enrutamento de cables de sistemas fotovoltaicos

Os cables deben encamiñarse de xeito que se eviten grandes lazos de condutor. Isto hai que observalo cando se combinan os circuítos de corrente continua para formar unha cadea e cando se interconectan varias cadeas. Ademais, as liñas de datos ou sensores non se poden encamiñar sobre varias cadeas e formar grandes lazos condutores coas liñas de corda. Isto tamén se debe ter en conta ao conectar o inversor á conexión á rede. Por esta razón, as liñas de potencia (cc e ac) e de datos (por exemplo, sensor de radiación, control de rendemento) deben encamiñarse xunto cos condutores de unión equipotencial ao longo de toda a súa ruta.

Posta a terra de sistemas fotovoltaicos

Os módulos fotovoltaicos adoitan fixarse ​​en sistemas de montaxe metálicos. Os compoñentes fotovoltaicos activos no lado da corrente continua teñen un illamento dobre ou reforzado (comparable ao illamento de protección anterior) como se esixe na norma IEC 60364-4-41. A combinación de numerosas tecnoloxías no lado do módulo e do inversor (por exemplo, con ou sen illamento galvánico) resulta en diferentes requisitos de posta a terra. Ademais, o sistema de control de illamento integrado nos inversores só é efectivo permanentemente se o sistema de montaxe está conectado a terra. A información sobre a implementación práctica ofrécese no Suplemento 5 da norma DIN EN 62305-3 alemá. A subestrutura metálica está conectada a terra funcionalmente se o sistema fotovoltaico está situado no volume protexido dos sistemas de terminación de aire e se mantén a distancia de separación. A sección 7 do suplemento 5 require condutores de cobre cunha sección de polo menos 6 mm² ou equivalente para a posta a terra funcional (Figura 1). Os carrís de montaxe tamén deben estar permanentemente interconectados mediante condutores desta sección transversal. Se o sistema de montaxe está directamente conectado ao sistema de protección contra raios externo debido a que a distancia de separación s non se pode manter, estes condutores pasan a formar parte do sistema de conexión equipotencial do lóstrego. En consecuencia, estes elementos deben ser capaces de transportar correntes de lóstrego. O requisito mínimo para un sistema de protección contra raios deseñado para unha clase de LPS III é un condutor de cobre cunha sección transversal de 16 mm² ou equivalente. Ademais, neste caso, os carrís de montaxe deben estar permanentemente interconectados mediante condutores desta sección transversal (Figura 2). O condutor de conexión equipotencial de terra / raios funcional debe encamiñarse en paralelo e o máis preto posible dos cables / liñas de corrente continua e ca.

As pinzas de terra UNI (Figura 3) pódense fixar en todos os sistemas de montaxe comúns. Conectan, por exemplo, condutores de cobre cunha sección transversal de 6 ou 16 mm² e fíos de terra espidos cun diámetro de 8 a 10 mm ao sistema de montaxe de tal xeito que poidan transportar correntes de raio. A placa de contacto integrada en aceiro inoxidable (V4A) garante a protección contra a corrosión dos sistemas de montaxe de aluminio.

Distancia de separación segundo IEC 62305-3 (EN 62305-3) Débese manter unha certa distancia de separación entre un sistema de protección contra raios e un sistema fotovoltaico. Define a distancia necesaria para evitar o flashover incontrolado ás pezas metálicas adxacentes resultante dun raio ao sistema de protección contra raios externo. No peor dos casos, este flashover incontrolado pode incendiar un edificio. Neste caso, os danos no sistema fotovoltaico son irrelevantes.

Sombras do núcleo das células solares

A distancia entre o xerador solar e o sistema de protección contra raios externo é absolutamente esencial para evitar un sombreamento excesivo. As sombras difusas emitidas por, por exemplo, as liñas aéreas, non afectan significativamente o sistema fotovoltaico e o rendemento. Non obstante, no caso das sombras do núcleo, unha sombra escura e claramente contornada lánzase na superficie detrás dun obxecto, cambiando a corrente que flúe a través dos módulos fotovoltaicos. Por esta razón, as células solares e os diodos de derivación asociados non deben estar influenciados polas sombras do núcleo. Isto pódese conseguir mantendo unha distancia suficiente. Por exemplo, se unha barra de terminación de aire cun diámetro de 10 mm matiza un módulo, a sombra do núcleo redúcese constantemente a medida que aumenta a distancia do módulo. Despois de 1.08 m só se lanza unha sombra difusa no módulo (Figura 4). O anexo A do suplemento 5 da norma DIN EN 62305-3 alemá ofrece información máis detallada sobre o cálculo das sombras do núcleo.

Dispositivos especiais de protección contra sobretensións para o lado da corrente continua dos sistemas fotovoltaicos

As características U / I das fontes de corrente fotovoltaica son moi diferentes ás das fontes convencionais de corrente continua: teñen unha característica non lineal (Figura 5) e provocan a persistencia a longo prazo dos arcos acesos. Esta natureza única das fontes de corrente fotovoltaica non só require interruptores fotovoltaicos e fusibles fotovoltaicos máis grandes, senón tamén un seccionador para o dispositivo de protección contra sobretensións adaptado a esta natureza única e capaz de facer fronte ás correntes fotovoltaicas. O suplemento 5 da norma DIN EN 62305-3 alemá (subsección 5.6.1, táboa 1) describe a selección de SPD adecuados.

Para facilitar a selección dos SPD de tipo 1, as táboas 1 e 2 mostran a capacidade de carga de corrente de impulso lóstrego requirida I_diabinho dependendo da clase de LPS, hai un número de condutores descendentes dos sistemas de protección contra raios externos, así como o tipo SPD (descargador baseado en varistores limitador de tensión ou descargador baseado en fenda de chispas con conmutación de voltaxe). Deben empregarse SPD que cumpran a norma EN 50539-11 aplicable. A subsección 9.2.2.7 do CENELEC CLC / TS 50539-12 tamén se refire a esta norma.

Descargador tipo 1 dc para uso en sistemas fotovoltaicos:

Descargador combinado multipol tipo 1 + tipo 2 de corrente continua FLP7-PV. Este dispositivo de conmutación de corrente continua está composto por un dispositivo combinado de desconexión e curtocircuíto con Thermo Dynamic Control e un fusible na ruta de derivación. Este circuíto desconecta de forma segura o descargador da tensión do xerador en caso de sobrecarga e apaga de forma fiable os arcos de corrente continua. Así, permite protexer os xeradores fotovoltaicos de ata 1000 A sen un fusible de respaldo adicional. Este descargador combina un descargador de corrente eléctrica e un descargador de sobretensións nun único dispositivo, garantindo así unha protección efectiva dos equipos terminais. Coa súa capacidade de descarga I_total de 12.5 kA (10/350 μs), pode usarse de forma flexible para as clases máis altas de LPS. FLP7-PV está dispoñible para tensións U_CPV de 600 V, 1000 V e 1500 V e ten un ancho de só 3 módulos. Polo tanto, FLP7-PV é o descargador combinado tipo 1 ideal para o seu uso en sistemas de alimentación fotovoltaica.

Os SPD de tipo 1 baseados en fendas de conmutación de tensión, por exemplo, FLP12,5-PV, son outra tecnoloxía poderosa que permite descargar correntes de raios parciais en caso de sistemas fotovoltaicos de corrente continua. Grazas á súa tecnoloxía de faísca e a un circuíto de extinción de corrente continua que permite protexer de forma eficiente os sistemas electrónicos de augas abaixo, esta serie de descargadores ten unha capacidade de descarga de corrente de raios extremadamente alta I_total de 50 kA (10/350 μs) que é único no mercado.

Descargador tipo 2 dc para uso en sistemas fotovoltaicos: SLP40-PV

O funcionamento fiable dos SPD nos circuítos fotovoltaicos de corrente continua tamén é indispensable cando se utilizan dispositivos de protección contra sobretensións tipo 2. Para este fin, os descargadores de tensión da serie SLP40-PV tamén contan cun circuíto de protección Y resistente a fallos e tamén están conectados a xeradores fotovoltaicos de ata 1000 A sen un fusible de respaldo adicional.

As numerosas tecnoloxías combinadas nestes descargadores evitan danos no dispositivo de protección contra sobretensións debido a fallos de illamento no circuíto fotovoltaico, o risco de incendio dun descargador sobrecargado e pon o descargador nun estado eléctrico seguro sen que interrompa o funcionamento do sistema fotovoltaico. Grazas ao circuíto de protección, a característica de limitación de tensión dos varistores pódese utilizar completamente incluso nos circuítos de corrente continua dos sistemas fotovoltaicos. Ademais, o dispositivo de protección contra sobretensións permanentemente activo minimiza numerosos picos de tensión pequenos.

Selección de SPD segundo o nivel de protección de tensión U_p

A tensión de funcionamento na corrente continua dos sistemas fotovoltaicos difire dun sistema a outro. Na actualidade, son posibles valores de ata 1500 V dc. En consecuencia, a resistencia dieléctrica dos equipos terminais tamén difire. Para garantir que o sistema fotovoltaico está protexido de forma fiable, o nivel de protección de tensión U_p ao SPD debe ser inferior á resistencia dieléctrica do sistema fotovoltaico que se supón que debe protexer. O estándar CENELEC CLC / TS 50539-12 esixe que Up sexa polo menos un 20% inferior á resistencia dieléctrica do sistema fotovoltaico. Os SPD de tipo 1 ou tipo 2 deben estar coordinados enerxeticamente coa entrada de equipos terminais. Se os SPD xa están integrados nos equipos terminais, o fabricante asegura a coordinación entre o SPD tipo 2 e o circuíto de entrada dos equipos terminais.

Exemplos de aplicación:

Edificio sen sistema de protección contra raios externo (situación A)

A figura 12 mostra o concepto de protección contra sobretensións dun sistema fotovoltaico instalado nun edificio sen sistema de protección contra raios externo. As correntes perigosas entran no sistema fotovoltaico debido a un acoplamento indutivo resultante de raios próximos ou a viaxe dende o sistema de alimentación eléctrica pola entrada do servizo á instalación do consumidor. Os SPD de tipo 2 deben instalarse nos seguintes lugares:

- lado dc dos módulos e inversores

- saída de corrente alterna do inversor

- Placa principal de distribución de baixa tensión

- Interfaces de comunicación por cable

Cada entrada de corrente continua (MPP) do inversor debe estar protexida por un dispositivo de protección contra sobretensións tipo 2, por exemplo, a serie SLP40-PV, que protexa de forma fiable a corrente continua do lado dos sistemas fotovoltaicos. O estándar CENELEC CLC / TS 50539-12 require que se instale un descargador tipo 2 de corrente adicional no lado do módulo se a distancia entre a entrada do inversor e o xerador fotovoltaico supera os 10 m.

As saídas de ca dos inversores están suficientemente protexidas se a distancia entre os inversores fotovoltaicos e o lugar de instalación do descargador tipo 2 no punto de conexión á rede (entrada de baixa tensión) é inferior a 10 m. En caso de lonxitude de cable maior, debe instalarse un dispositivo adicional de protección contra sobretensións tipo 2, por exemplo, a serie SLP40-275, fronte á entrada de corrente alterna segundo o CENELEC CLC / TS 50539-12.

Ademais, hai que instalar un dispositivo de protección contra sobretensións da serie SLP2-40 tipo 275 augas arriba do contador da entrada de baixa tensión. CI (Circuit Interruption) significa un fusible coordinado integrado na ruta de protección do descargador, o que permite que o descargador poida usarse no circuíto ac sen un fusible de respaldo adicional. A serie SLP40-275 está dispoñible para todas as configuracións do sistema de baixa tensión (TN-C, TN-S, TT).

Se os inversores están conectados a liñas de datos e sensores para controlar o rendemento, necesítanse dispositivos de protección contra sobretensións adecuados. A serie FLD2, que conta con terminais para dous pares, por exemplo para as liñas de datos entrantes e saíntes, pode usarse para sistemas de datos baseados en RS 485.

Edificio con sistema de protección contra raios externo e distancia de separación suficiente s (situación B)

figura 13 mostra o concepto de protección contra sobretensións dun sistema fotovoltaico con sistema de protección contra raios externo e a distancia de separación suficiente entre o sistema FV e o sistema de protección contra raios externo.

O obxectivo principal de protección é evitar danos a persoas e bens (incendio no edificio) derivados dun raio. Neste contexto, é importante que o sistema fotovoltaico non interfira co sistema de protección contra raios externo. Ademais, o propio sistema fotovoltaico debe estar protexido contra os raios directos. Isto significa que o sistema fotovoltaico debe instalarse no volume protexido do sistema de protección contra raios externo. Este volume protexido está formado por sistemas de terminación de aire (por exemplo, barras de terminación de aire) que impiden un raio directo aos módulos e cables fotovoltaicos. O método do ángulo de protección (Figura 14) ou método de esfera rodante (Figura 15) como se describe na subsección 5.2.2 da norma IEC 62305-3 (EN 62305-3) pódese usar para determinar este volume protexido. Débese manter unha certa distancia de separación entre todas as partes condutoras do sistema fotovoltaico e o sistema de protección contra raios. Neste contexto, as sombras do núcleo deben evitarse, por exemplo, mantendo unha distancia suficiente entre as barras de terminación de aire e o módulo fotovoltaico.

A unión equipotencial contra raios é unha parte integral dun sistema de protección contra raios. Debe implementarse para todos os sistemas condutores e liñas que entren no edificio que poidan levar correntes de lóstrego. Isto conséguese conectando directamente todos os sistemas metálicos e conectando indirectamente todos os sistemas energizados mediante descargadores de corrente de raio tipo 1 ao sistema de terminación de terra. A unión equipotencial de raios debe implementarse o máis preto posible do punto de entrada ao edificio para evitar que as correntes de raios parciais entren no edificio. O punto de conexión á rede debe estar protexido por un SPD tipo 1 baseado en fendas multipolas, por exemplo, un descargador combinado tipo 1 FLP25GR. Este descargador combina un descargador de corrente eléctrica e un descargador de sobretensións nun só dispositivo. Se as lonxitudes dos cables entre o descargador e o inversor son inferiores a 10 m, proporcionarase unha protección suficiente. En caso de lonxitude de cable maior, hai que instalar dispositivos adicionais de protección contra sobretensións tipo 2 fronte á corrente alterna de entrada dos inversores segundo CENELEC CLC / TS 50539-12.

Cada entrada de corrente continua debe estar protexida por un descargador fotovoltaico de tipo 2, por exemplo, a serie SLP40-PV (Figura 16). Isto tamén se aplica aos dispositivos sen transformador. Se os inversores están conectados a liñas de datos, por exemplo, para controlar o rendemento, deben instalarse dispositivos de protección contra sobretensións para protexer a transmisión de datos. Para este propósito, pódese fornecer a serie FLPD2 para liñas con sistemas de sinal analóxico e bus de datos como RS485. Detecta a tensión de funcionamento do sinal útil e axusta o nivel de protección de tensión a esta tensión de funcionamento.

Condutor HVI illado resistente a alta tensión

Outra posibilidade de manter as distancias de separación é empregar condutores HVI illados resistentes a alta tensión que permitan manter unha distancia de separación de ata 0.9 m no aire. Os condutores HVI poden contactar directamente co sistema fotovoltaico augas abaixo do rango final de selado. Nesta guía de protección contra raios ou nas instrucións de instalación correspondentes ofrécese información máis detallada sobre a aplicación e instalación dos condutores HVI.

Edificio con sistema de protección contra raios externo con distancias de separación insuficientes (situación C)

Se o tellado é de metal ou está formado polo propio sistema fotovoltaico, non se pode manter a distancia de separación s. Os compoñentes metálicos do sistema de montaxe fotovoltaico deben estar conectados ao sistema de protección contra raios externo de xeito que poidan transportar correntes de raios (condutor de cobre cunha sección transversal de polo menos 16 mm² ou equivalente). Isto significa que tamén hai que implementar un enlace equipotencial de raio para as liñas fotovoltaicas que entran no edificio desde o exterior (Figura 17). Segundo o Suplemento 5 da norma DIN EN 62305-3 alemá e a norma CENELEC CLC / TS 50539-12, as liñas de corrente continua deben estar protexidas por un SPD tipo 1 para sistemas fotovoltaicos.

Para este propósito, utilízase un descargador combinado tipo 1 e tipo 2 FLP7-PV. A conexión equipotencial de raios tamén debe implementarse na entrada de baixa tensión. Se os inversores fotovoltaicos están situados a máis de 10 m do SPD de tipo 1 instalado no punto de conexión á rede, deberá instalarse un SPD de tipo 1 adicional no lado ca do inversor (por exemplo, tipo 1) + descargador combinado tipo 2 FLP25GR). Tamén se deben instalar dispositivos de protección contra sobretensións adecuados para protexer as liñas de datos relevantes para o control do rendemento. Os dispositivos de protección contra sobretensións da serie FLD2 úsanse para protexer os sistemas de datos, por exemplo, baseados na RS 485.

Sistemas fotovoltaicos con microinversores

Os microinversores requiren un concepto diferente de protección contra sobretensións. Para este fin, a liña continua dun módulo ou un par de módulos está directamente conectada ao inversor de pequeno tamaño. Neste proceso, débense evitar bucles de condutor innecesarios. O acoplamento indutivo en estruturas de corrente continua tan pequenas normalmente só ten un baixo potencial de destrución enerxética. O amplo cableado dun sistema fotovoltaico con microinversores está situado no lado ca (Figura 18). Se o microinverter está montado directamente no módulo, os dispositivos de protección contra sobretensións só se poden instalar no lado ca:

- Edificios sen sistema de protección contra raios externo = descargadores SLP2-40 tipo 275 para corrente alterna / trifásica moi preto dos microinversores e SLP40-275 na entrada de baixa tensión.

- Edificios con sistema de protección contra raios externo e distancia de separación suficiente s = descargadores tipo 2, por exemplo, SLP40-275, moi preto dos microinversores e correntes de raios que transportan descargadores tipo 1 na entrada de baixa tensión, por exemplo, FLP25GR.

- Edificios con sistema de protección contra raios externo e distancia de separación insuficiente s = descargadores tipo 1, por exemplo, SLP40-275, moi preto dos microinversores e correntes de lóstregos tipo 1 FLP25GR descargadores na entrada de baixa tensión.

Independentemente de fabricantes particulares, os microinversores contan con sistemas de control de datos. Se os datos se modulan ás liñas alternativas a través dos microinversores, deberá proporcionarse un dispositivo de protección contra sobretensións nas unidades receptoras separadas (exportación de datos / procesamento de datos). O mesmo aplícase ás conexións de interface con sistemas de bus descendentes e á súa alimentación de tensión (por exemplo, Ethernet, RDSI).

Os sistemas de xeración de enerxía solar son unha parte integral dos sistemas eléctricos actuais. Deberían estar equipados con descargadores de corrente eléctrica e de sobretensión adecuados, garantindo así un funcionamento a longo prazo sen fallas destas fontes de electricidade.