Protección contra sobretensiones para sistemas fotovoltaicos

Los rayos indirectos son destructivos. Las observaciones anecdóticas sobre la actividad de los rayos suelen ser un mal indicador del nivel de sobretensión inducida por los rayos en los paneles fotovoltaicos. Los rayos indirectos pueden dañar fácilmente los componentes sensibles de los equipos fotovoltaicos, lo que a menudo tiene un alto costo de reparación o reemplazo de los componentes dañados y afecta la confiabilidad del sistema fotovoltaico. La sobretensión depende de las condiciones de instalación de cada sistema fotovoltaico y del cableado.

Los sistemas fotovoltaicos están expuestos en grandes espacios abiertos, normalmente en campos o en lo alto de edificios. Las nubes de lluvia cargadas que se acumulan sobre campos abiertos tienen la propensión a liberar la carga en forma de relámpagos. Cuando esto sucede, es probable que se produzca un aumento de voltaje. Cuanto más expansivo sea el campo, más probabilidades habrá de que se produzca destrucción.

Cuando un sistema fotovoltaico se ubica en un sitio industrial, las operaciones comerciales y los equipos también están en peligro. Los inversores son caros, pero para aplicaciones industriales, una falla aún más costosa es el costo del tiempo de inactividad.

Cuando un rayo cae sobre un sistema solar fotovoltaico, provoca una corriente y un voltaje transitorios inducidos dentro de los bucles de cables del sistema solar fotovoltaico. Estas corrientes y voltajes transitorios aparecerán en los terminales del equipo y probablemente causarán fallas dieléctricas y de aislamiento dentro de los componentes eléctricos y electrónicos de la energía solar fotovoltaica, como los paneles fotovoltaicos, el inversor, los equipos de control y comunicaciones, así como los dispositivos en la instalación del edificio. La caja de matriz, el inversor y el MPPT (potencia máximadispositivo de seguimiento de puntos) tiene los puntos más altos de falla.

Para evitar que la alta energía pase a través de los componentes electrónicos y cause daños por alto voltaje al sistema fotovoltaico, las sobretensiones deben tener un camino a tierra. Para hacer esto, todas las superficies conductoras deben estar directamente conectadas a tierra y todo el cableado que entra y sale del sistema (como cables Ethernet y redes principales de CA) debe estar conectado a tierra a través de un SPD.

Se necesita un dispositivo de protección contra sobretensiones para cada grupo de cadenas dentro de la caja de matriz, la caja recombinadora y la desconexión de CC.

Selección e instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones para sistemas fotovoltaicos

Los sistemas fotovoltaicos tienen características únicas que, por lo tanto, requieren el uso de SPD diseñados específicamente para sistemas fotovoltaicos.

Los sistemas fotovoltaicos tienen altos voltajes de sistema de CC de hasta 1500 voltios. Su punto de máxima potencia opera sólo unos pocos percentiles por debajo de la corriente de cortocircuito del sistema.

Para determinar el módulo SPD adecuado para el sistema fotovoltaico y su instalación, debe saber:

l La densidad del destello del relámpago;

l La temperatura de funcionamiento del sistema;

l El voltaje del sistema;

l La clasificación de corriente de cortocircuito del sistema;

l El nivel de forma de onda contra el cual se debe proteger (rayos indirectos o directos);

l La corriente de descarga nominal.

Los requisitos del SPD para una instalación protegida por un sistema externo de protección contra rayos (LPS) dependen de la clase seleccionada del SPCR y de si la distancia de separación entre el SPCR y la instalación fotovoltaica está aislada o no. IEC 62305-3 detalla los requisitos de distancia de separación para un LPS externo.

Para tener un efecto protector, el nivel de protección de voltaje de un SPD (Arriba) debe ser 20 % menor que la rigidez dieléctrica del equipo terminal del sistema.

Es importante utilizar un SPD con una corriente de resistencia a cortocircuito mayor que la corriente de cortocircuito de la cadena de paneles solares a la que está conectado el SPD. El SPD que se proporciona en la salida de CC debe tener un MCOV de CC igual o mayor que el voltaje máximo del sistema fotovoltaico del panel.

SPD para el lado CC de sistemas fotovoltaicos

Las fuentes fotovoltaicas tienen características de corriente y voltaje muy diferentes a las fuentes tradicionales de CC: tienen una característica no lineal y provocan una persistencia a largo plazo de los arcos encendidos. Por lo tanto, las fuentes de corriente fotovoltaica no sólo requieren interruptores fotovoltaicos y fusibles fotovoltaicos más grandes, sino también un seccionador para el dispositivo de protección contra sobretensiones que esté adaptado a esta naturaleza única y capaz de hacer frente a las corrientes fotovoltaicas.

Los SPD instalados en el lado de CC siempre deben estar diseñados específicamente para aplicaciones de CC. El uso de un SPD en el lado de CA o CC incorrecto es peligroso en condiciones de falla.

Instalación

Los SPD siempre deben instalarse antes de los dispositivos que van a proteger. NFPA 780 12.4.2.1 dice que se debe proporcionar protección contra sobretensiones en la salida de CC del panel solar de positivo a tierra y negativo a tierra, en la caja combinadora y recombinadora para múltiples paneles solares y en la salida de CA del inversor.

La correcta instalación de un SPD se basa en tres valores, que son:

l Voltaje máximo de operación continua: El voltaje que activará el SPD.

l Nivel de protección de voltaje: la categoría de sobretensión del equipo debe ser mayor que el nivel de protección de voltaje del SPD.

l Corriente de descarga nominal: el valor máximo de la forma de onda (8/20 μs para los SPD tipo 2) que el SPD es capaz de soportar después de sobretensiones repetitivas.

Cómo combinar SPD con inversores

Los parques fotovoltaicos se componen de equipos muy sensibles que necesitan una protección amplia. Debido a que las granjas fotovoltaicas crean energía de corriente continua (CC), los inversores (que son necesarios para convertir esta energía de CC a CA) son un componente esencial para su producción eléctrica. Desafortunadamente, los inversores no sólo son muy susceptibles a los rayos, sino que también son increíblemente caros.

NFPA 780 12.4.2.3 requiere SPD adicionales en la entrada de CC del inversor si el inversor del sistema está a más de 30 metros de la caja combinadora o recombinadora más cercana.

Instale el SPD entre los fusibles y el inversor si hay protectores de cadena (como fusibles, disyuntores de CC o diodos de cadena)

Para conectar un SPD cuando hay un inversor con caja de fusibles integrada, asegúrese de que los fusibles internos estén puenteados y que los fusibles externos del string estén conectados.

Los inversores string deben instalarse lo más cerca posible de los strings. Los cables del SPD que se conectan a la red L+/L-, y entre el bloque de terminales del SPD y la barra de tierra, deben tener una longitud inferior a 2,5 metros. Cuanto más cortos sean los cables de conexión, más eficiente y rentable será la protección.

Para inversores con un solo seguidor MPP, combine la cadena antes del inversor y conéctelos al SPD en el punto de interconexión.

Se deben planificar combinaciones de SPD para cada entrada cuando el inversor tiene múltiples seguidores MPP. Se debe utilizar un SPD para cada entrada que esté fusionada con un diodo de cadena.

Referencias

[1] Guía de protección contra rayos, Norma DIN EN 62305 – 3, 2014.

[2] Norma para dispositivos de protección contra sobretensiones, UL 1449, 2014.

[3] Dispositivos de protección contra sobretensiones de baja tensión – Parte 32: Dispositivos de protección contra sobretensiones conectados a la red eléctrica de CC. lado de las instalaciones fotovoltaicas – Principios de selección y aplicación, Norma IEC 61643-32, 2 017.