Protector contra sobretensiones de CC

Los protectores contra sobretensiones de CC (DC SPD) limitan las sobretensiones transitorias y redirigen de forma segura las corrientes de sobretensión a tierra. En condiciones normales, permanecen en alta impedancia. Durante una sobretensión, cambian a baja impedancia, desviando el exceso de corriente y reiniciándose automáticamente después del evento para proporcionar una protección continua contra sobretensiones de CC.

R: La vida útil de un protector contra sobretensiones de CC depende del número y la intensidad de las sobretensiones a las que se ve sometido. Se recomienda realizar inspecciones periódicas para detectar signos de desgaste o indicadores de fin de vida útil. La sustitución proactiva de los SPD garantiza una protección continua contra sobretensiones de CC y evita daños en los equipos.

R: Sí, los SPD de CC son adecuados para una amplia gama de aplicaciones, desde sistemas solares residenciales hasta redes eléctricas industriales de CC. Seleccionar el tipo y la potencia adecuados garantiza una protección eficaz contra sobretensiones de CC adaptada a cada entorno.

Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) proporcionan protección contra sobretensiones y picos eléctricos, incluidos los causados directa e indirectamente por rayos.

En lugares con frecuentes descargas eléctricas, los sistemas fotovoltaicos sin protección sufrirán daños repetidos y significativos. Esto se traduce en importantes costes de reparación y sustitución, tiempo de inactividad del sistema y pérdida de ingresos.

Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) correctamente instalados minimizarán el impacto potencial de los rayos.

Los equipos eléctricos sensibles de los sistemas fotovoltaicos, como los inversores CA/CC, los dispositivos de monitorización y los paneles fotovoltaicos, deben protegerse con dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD).

Un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) está diseñado para evitar que los picos de tensión de alta energía alcancen los equipos sensibles y, por lo tanto, puedan causar daños.

Si está correctamente diseñado, ¿cómo funciona un SPD en un sistema de CC?

Se evita la acumulación de exceso de tensión (por encima de la potencia nominal del equipo) mediante una descarga de energía controlada entre los conductores de CC o CA afectados.

Si hay una conexión a tierra en el SPD, este también supervisa la diferencia de tensión entre la tierra y los demás conductores.

Si es necesario, se descarga energía para evitar diferencias de tensión excesivas, como en caso de sobretensión. Para que esto funcione correctamente, la ruta a tierra debe ser de baja resistencia.

Los SPD no pueden proteger contra sobretensiones prolongadas durante varios segundos o minutos. Esto debe evitarse mediante un dimensionamiento correcto del sistema.

1. Asegúrese de que su sistema y SPD tengan una buena conexión a tierra con baja resistencia.

2. Adapte el dispositivo de protección contra sobretensiones a las entradas del equipo de conversión de energía que desea proteger, asegurándose de que la “U_c”El voltaje indicado en la hoja de datos del dispositivo de protección contra sobretensiones es igual o ligeramente superior (preferiblemente entre 0 y 10 V) al voltaje continuo máximo de los conductores que se van a proteger, o al voltaje nominal máximo del equipo eléctrico conectado.

Si el SPD “U_c”Si la tensión nominal es muy superior a la tensión nominal máxima del equipo eléctrico conectado, ya no podrá proteger eficazmente contra las sobretensiones. El SPD protegerá los dispositivos o equipos activándose muy por encima de la tensión nominal máxima de funcionamiento continuo “U»._c” y no interferirá a voltajes inferiores a “U»._c”.

3. LSP recomienda proteger al menos la entrada fotovoltaica del regulador de carga o del inversor/cargador y, si se utiliza una red eléctrica pública, proteger también la entrada de CA.

4. Si se utiliza en los conductores fotovoltaicos, asegúrese de que el dispositivo de protección contra sobretensiones esté clasificado para voltajes de CC; si se utiliza en la entrada de CA, asegúrese de que el SPD esté clasificado para voltajes de CA.

Los dispositivos de protección contra sobretensiones ayudan a reducir el tiempo de inactividad provocado por las sobretensiones. En las plantas fotovoltaicas, los SPD deben cumplir requisitos específicos para garantizar un funcionamiento continuo y la generación de energía.

Al diseñar una planta fotovoltaica, es importante tener en cuenta la instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD). Las sobretensiones y las perturbaciones de la red pueden provocar tiempos de inactividad, lo que reduce el rendimiento de la planta.

Por lo tanto, al diseñar la instalación eléctrica se deben tener en cuenta todas las condiciones que afecten a la generación y distribución de energía.

Los paneles solares se instalan en el exterior para convertir la energía solar en electricidad. Esta ubicación al aire libre los expone directamente a condiciones adversas como la lluvia, el viento y el polvo. Entre las condiciones meteorológicas, los rayos requieren una atención especial, ya que pueden afectar gravemente a la seguridad y el rendimiento de una planta fotovoltaica.

Se originan en una nube cumulonimbus y terminan en el suelo. Cuando el rayo impacta en el suelo, descarga energía, lo que afecta al campo eléctrico en el suelo. Para la planta fotovoltaica solar esto plantea dos riesgos:

• Un impacto directo que puede destruir físicamente el equipo solar instalado en un tejado.
• Sobretensiones transitorias que pasan a través de los cables por acoplamiento magnético, lo que puede provocar daños en componentes sensibles, como las placas de circuito impreso (PCB).

En lo que respecta al impacto directo, ‘External Lightning Protects’ (ELP) proporciona la protección necesaria según la norma IEC 62305, que describe cómo evaluar si su ubicación necesita dicha protección y cuál debería ser la opción preferida (jaulas de malla, terminal de aire, etc.).

El concepto es sencillo: asegúrese de que el rayo caiga sobre una varilla metálica instalada en el punto más alto de su planta y disipe la energía directamente al suelo a través de un conductor de cobre.

Sin embargo, cuando se trata de sobretensiones transitorias, se requieren SPD. Se instalan en paralelo en las placas de protección del circuito para desviar la energía a tierra y limitar la sobretensión hasta un valor aceptable para el equipo final.

Tan pronto como se instala un ELP en una planta fotovoltaica, es obligatorio instalar también un SPD. Si la planta fotovoltaica no está equipada con un ELP, se recomienda encarecidamente instalar un SPD para limitar las perturbaciones de la red (sobretensiones transitorias).

Para garantizar que la energía fluya primero hacia tierra y limitar así las sobretensiones, el componente más importante es el varistor de óxido metálico (MOV).

Este componente tiene tal propiedad que, en condiciones normales (sin sobretensiones), la resistencia es lo suficientemente alta como para impedir que las corrientes nominales lo atraviesen.

A partir de un determinado nivel de sobretensión, la resistencia disminuirá rápidamente, abriendo el camino hacia tierra y volviendo a su estado normal una vez que se haya disipado la energía.

Este proceso permite limitar el nivel de sobretensión que llega a todos los equipos conectados aguas abajo.

Hay diferentes tipos de SPD disponibles que varían en términos de resistencia: Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 1+2. Un SPD de Tipo 1 puede hacer frente a un impacto directo que provoque una sobrecarga energética, mientras que el Tipo 2 limita las sobretensiones procedentes de diversas fuentes. Ambas características pueden combinarse en un “Tipo 1+2” para obtener una protección completa.

En las plantas fotovoltaicas, el reto consiste en elegir la protección contra sobretensiones adecuada para soportar corrientes con forma de onda de energía pura de 10/350 µs (casi 10 veces más potentes que las de tipo 2 con forma de onda de 8/20 µs) y, al mismo tiempo, tener en cuenta el espacio disponible.

En un inversor o caja de conexiones, el espacio siempre es la máxima prioridad. Para aprovechar al máximo el espacio disponible, los SPD de LSP utilizan la profundidad de la carcasa para componentes más resistentes con una mayor profundidad del dispositivo.

Con las nuevas series FLP-PV y SLP-PV, las placas de protección de circuitos de CA y CC en instalaciones solares pueden protegerse contra sobretensiones debidas a rayos o perturbaciones de la red.

Los paneles solares, al igual que todos los dispositivos electrónicos, son propensos a sufrir sobrecargas de tensión que pueden dañar los componentes y aumentar el tiempo de inactividad. Los dispositivos de protección contra sobrecargas pueden ayudar a mantener los sistemas en funcionamiento y rentables.

Un protector contra sobretensiones ayuda a prevenir daños en los aparatos electrónicos al desviar el exceso de electricidad de la línea eléctrica “caliente” a un cable de conexión a tierra.

En la mayoría de los protectores contra sobretensiones comunes, esto se logra mediante un varistor de óxido metálico (MOV), una pieza de óxido metálico unida a las líneas de alimentación y tierra por dos semiconductores.

Los paneles solares también son dispositivos electrónicos y, por lo tanto, están sujetos al mismo riesgo de sufrir daños por sobrecargas. Los paneles solares son especialmente propensos a los rayos debido a su gran superficie y a su ubicación en lugares expuestos, como tejados o montados en el suelo en espacios abiertos.

Si los paneles solares reciben un impacto directo, los rayos pueden quemar el equipo o incluso provocar explosiones, destruyendo todo el sistema.

Pero los efectos de los rayos y otras sobretensiones no siempre son tan evidentes. Los efectos secundarios de estos fenómenos no solo pueden afectar a componentes importantes, como módulos e inversores, sino también a sistemas de monitorización, controles de seguidores y estaciones meteorológicas.

La pérdida de un módulo fotovoltaico solo supondrá la pérdida de una cadena, mientras que la pérdida del inversor central supondrá la pérdida de la generación de energía de una gran parte de la planta.

Dado que todos los equipos eléctricos son susceptibles a las sobretensiones, existen SPD disponibles para todos los componentes de los paneles solares. Las versiones industriales de estos dispositivos también utilizan varistores de óxido metálico (MOV) en combinación con otros equipos sofisticados para conducir las sobretensiones a tierra. Por lo tanto, los SPD se instalan generalmente después de que se haya instalado un sistema de puesta a tierra estable.

Piense en un diagrama eléctrico unifilar de su instalación y coloque los SPD en cascada desde el servicio público hasta el equipo del conjunto, ubique una protección robusta en las entradas principales para proteger contra grandes transitorios de sobretensión y unidades más pequeñas en las rutas críticas hasta el punto final del equipo.

Se debe instalar una red SPD en toda la distribución de energía CA y CC del generador solar para proteger los circuitos críticos. Los SPD deben instalarse tanto en las entradas de CC como en las salidas de CA de los inversores del sistema y desplegarse con referencia a tierra en las líneas de CC positivas y negativas. La protección de CA debe desplegarse en cada conductor de energía a tierra. Los circuitos combinadores también deben protegerse, al igual que todos los circuitos de control e incluso los sistemas de seguimiento y supervisión, para evitar interferencias y pérdidas de datos.

En lo que respecta a los sistemas comerciales y de gran escala, LSP sugiere utilizar la regla de los 10 m. Para instalaciones con cables de CC de menos de 10 m, la protección contra sobretensiones solares de CC debe instalarse en un punto conveniente, como los inversores, las cajas combinadoras o más cerca de los módulos solares. Para instalaciones con cables de CC de más de 10 m, la protección contra sobretensiones debe instalarse tanto en el extremo del inversor como en el del módulo de los cables.

Los sistemas solares residenciales con microinversores tienen cables de CC muy cortos, pero cables de CA más largos. Un SPD instalado en la caja combinadora puede proteger la vivienda de las sobretensiones del generador. Un SPD en el panel principal también puede proteger la vivienda de las sobretensiones del generador, además de las procedentes de la red eléctrica y otros equipos internos.

En sistemas de cualquier tamaño, los SPD deben ser instalados por un electricista autorizado de acuerdo con las recomendaciones del fabricante y los códigos de instalación y eléctricos para maximizar la seguridad y la eficacia.

Se pueden tomar medidas adicionales, como añadir terminales de aire para rayos, para proteger aún más un panel solar específicamente contra los rayos. Los SPD no pueden evitar los daños físicos causados por los rayos directos.

La sobretensión puede producirse en instalaciones eléctricas por diversas razones. Puede estar causada por:

• La red de distribución como resultado de un rayo o cualquier trabajo realizado.
• Rayos (cercanos o sobre edificios e instalaciones fotovoltaicas, o sobre pararrayos).
• Variaciones en el campo eléctrico debidas a los rayos.

Al igual que todas las estructuras al aire libre, las instalaciones fotovoltaicas están expuestas al riesgo de rayos, que varía de una región a otra. Deben instalarse sistemas y dispositivos preventivos y de protección.

La primera medida de protección que se debe implementar es un medio (conductor) que garantice la conexión equipotencial entre todas las partes conductoras de una instalación fotovoltaica.

El objetivo es unir todos los conductores conectados a tierra y las piezas metálicas para crear un potencial igual en todos los puntos del sistema instalado.

L es la suma de:

• la suma de las distancias entre el inversor o inversores y la caja o cajas de conexiones, teniendo en cuenta que las longitudes de cable situadas en el mismo conducto solo se cuentan una vez, y
• la suma de las distancias entre la caja de conexiones y los puntos de conexión de los módulos fotovoltaicos que forman la cadena, teniendo en cuenta que las longitudes de cable situadas en el mismo conducto solo se cuentan una vez.

Ng es la densidad de rayos (número de impactos/km2/año).

El número y la ubicación de los SPD en el lado de CC dependen de la longitud de los cables entre los paneles solares y el inversor. El SPD debe instalarse cerca del inversor si la longitud es inferior a 10 metros. Si es superior a 10 metros, es necesario un segundo SPD, que debe ubicarse en la caja cercana al panel solar, mientras que el primero se ubica en la zona del inversor.

Para garantizar la eficiencia, los cables de conexión del SPD a la red L+ / L- y entre el bloque de terminales de tierra del SPD y la barra colectora de tierra deben ser lo más cortos posible, menos de 2,5 metros (d1+d2<50 cm).

Generación de energía fotovoltaica segura y fiable

Dependiendo de la distancia entre la parte “generadora” y la parte “conversora”, puede ser necesario instalar dos o más descargadores de sobretensión para garantizar la protección de cada una de las dos partes.

Cuando un sistema fotovoltaico se encuentra en un emplazamiento industrial, las operaciones comerciales y los equipos también corren peligro. Los inversores son caros, pero en las aplicaciones industriales, un fallo aún más costoso es el coste del tiempo de inactividad.

Cuando un rayo impacta en un sistema fotovoltaico solar, provoca una corriente y un voltaje transitorios inducidos en los bucles de cableado del sistema.

Estas corrientes y tensiones transitorias aparecerán en los terminales del equipo y probablemente causarán fallos de aislamiento y dieléctricos en los componentes eléctricos y electrónicos de la instalación fotovoltaica, como los paneles fotovoltaicos, el inversor, los equipos de control y comunicaciones, así como en los dispositivos de la instalación del edificio.

La caja de paneles, el inversor y el dispositivo MPPT (seguidor del punto de máxima potencia) son los componentes con mayor probabilidad de fallo.

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 una vía de conexión a tierra.

Para ello, todas las superficies conductoras deben estar conectadas directamente a tierra y todo el cableado que entra y sale del sistema (como los cables Ethernet y la red eléctrica) 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 la matriz, la caja combinadora y la desconexión de CC.

La altura, las formas puntiagudas y el aislamiento son las características dominantes que determinan dónde cae un rayo. Es un mito que el metal atraiga los rayos.

Sin embargo, es importante señalar que, independientemente de la ubicación de la planta fotovoltaica o de la forma de los objetos cercanos, los SPD son esenciales para todos los sistemas fotovoltaicos debido a su susceptibilidad inherente a los impactos directos e indirectos.

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• la densidad del destello de la ronda relámpago;
• la temperatura de funcionamiento del sistema;
• el voltaje del sistema;
• la intensidad de cortocircuito nominal del sistema;
• el nivel de la forma de onda contra la que se debe proteger (rayos indirectos o directos);
• 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 LPS y de si la distancia de separación entre el LPS y la instalación fotovoltaica está aislada o no aislada.

La norma IEC 62305-3 detalla los requisitos de distancia de separación para un LPS externo.

Para tener un efecto protector, el nivel de protección de tensión (U_p) debe ser 20 % inferior a la rigidez dieléctrica del equipo terminal del sistema.

Es importante utilizar un SPD con una corriente de cortocircuito soportable superior a 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 superior a la tensión máxima del sistema fotovoltaico del panel.

Cuando un rayo cae en el punto A (véase la figura 1), es probable que el panel fotovoltaico solar y el inversor resulten dañados. Si el rayo cae en el punto B, solo se dañará el inversor.

Sin embargo, el inversor suele ser el componente más caro de un sistema fotovoltaico, por lo que es fundamental seleccionar e instalar correctamente el SPD adecuado tanto en las líneas de CA como en las de CC. Cuanto más cerca esté el rayo del inversor, mayor será el daño que sufrirá este.

Las fuentes fotovoltaicas tienen características de corriente y tensión muy diferentes a las fuentes de corriente continua tradicionales: tienen una característica no lineal y provocan la persistencia a largo plazo de los arcos encendidos.

Por lo tanto, las fuentes de corriente fotovoltaica no solo requieren interruptores y fusibles fotovoltaicos más grandes, sino también un seccionador para el dispositivo de protección contra sobretensiones que se adapte a esta naturaleza única y sea 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 incorrecto de CA o CC es peligroso en condiciones de fallo.

Cuando se utilizan SPD en el lado de CC, también deben utilizarse en el lado de CA debido a las diferencias de potencial.

La protección contra sobretensiones es tan importante para el lado de CA como para el lado de CC. Asegúrese de que el SPD esté diseñado específicamente para el lado de CA.

Para obtener una protección óptima, el SPD debe dimensionarse específicamente para el sistema. La selección adecuada garantizará la mejor protección con la mayor vida útil.

En cuanto a la corriente alterna, se pueden conectar varios inversores al mismo SPD si comparten la misma conexión a la red.

Los SPD siempre deben instalarse aguas arriba de los dispositivos que van a proteger. La norma NFPA 780 12.4.2.1 establece que se debe proporcionar protección contra sobretensiones en la salida de CC del panel solar, desde el polo positivo a tierra y desde el polo negativo a tierra, en el combinador y en la caja combinadora para múltiples paneles solares, y en la salida de CA del inversor.

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

• Tensión máxima de funcionamiento continuo: la tensión a la que se activará el SPD.
• Nivel de protección de tensión: La categoría de sobretensión del equipo debe ser superior al nivel de protección de tensión del SPD.
• Corriente de descarga nominal: El valor pico de la forma de onda (8/20 μs para los SPD de tipo 2) que el SPD es capaz de soportar tras sobretensiones repetitivas.

Cables

Los cables de los sistemas fotovoltaicos suelen extenderse a lo largo de grandes distancias para poder llegar al punto de conexión a la red. Sin embargo, nunca se recomienda utilizar cables muy largos, y los sistemas fotovoltaicos no son una excepción.

Esto se debe a que el efecto de las interferencias eléctricas de campo y conducidas causadas por descargas eléctricas aumenta en relación con el aumento de la longitud de los cables y los bucles de los conductores. Cuando se produce una sobretensión transitoria, cualquier caída de tensión inductiva en los cables de conexión puede debilitar el efecto protector del SPD. Esto es menos probable que ocurra si los cables se tienden de la forma más corta posible.

Las sobretensiones son un factor importante en el fallo de los cables, y cada impulso en un cable contribuye al deterioro de la resistencia del aislamiento del mismo.

Si se produce una sobretensión en un sistema fotovoltaico autónomo (un sistema alejado de la red eléctrica), cualquier equipo que funcione con energía solar, como los equipos médicos o el suministro de agua, puede verse afectado.

La ubicación y la cantidad de SPD que se deben instalar en el lado de CC dependen de la longitud del cable entre los paneles solares y el inversor (véase la tabla).

Si la longitud es inferior a 10 metros, solo se necesita un SPD, que debe instalarse cerca del inversor. Si la longitud del cable es superior a 10 metros, instale un SPD cerca del inversor y un segundo SPD en la caja situada cerca del panel solar.

Trate los cables de tal manera que se eviten grandes bucles de conductores. Las líneas de CA y CC y las líneas de datos deben tenderse junto con los conductores de conexión equipotencial a lo largo de todo el recorrido para garantizar que no se formen bucles de conductores al tenderlos a lo largo de varias cadenas o al conectar el inversor a la conexión a la red.

Nota:

La longitud del cable que conecta un SPD a la carga debe ser siempre lo más corta posible y nunca superar los 10 metros. Si la longitud del cable es superior a 10 metros, es necesario instalar un segundo SPD. Cuanto mayor sea la distancia, mayor será la reflexión de la onda de rayo.

Cómo combinar SPD con inversores

Las granjas fotovoltaicas están compuestas por equipos muy sensibles que necesitan una protección amplia. Dado que las granjas fotovoltaicas generan energía de corriente continua (CC), los inversores (necesarios para convertir esta energía de CC a CA) son un componente esencial para su producción eléctrica.

Desafortunadamente, los inversores no solo son muy susceptibles a los rayos, sino que también son increíblemente caros. La norma NFPA 780 12.4.2.3 exige SPD adicionales en la entrada de CC del inversor si el inversor del sistema se encuentra a más de 30 metros del combinador o la caja combinadora más cercanos.

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

Conclusión

Operar equipos fotovoltaicos sin la protección adecuada contra sobretensiones es más que arriesgado: es imprudente.

Para que los sistemas solares sean el futuro de un mundo más ecológico, deben protegerse.

La aparición de rayos es imparable y, por lo tanto, la protección es esencial.

La vulnerabilidad de los sistemas fotovoltaicos a los rayos, tanto directos como indirectos, implica que deben construirse con una protección contra sobretensiones fiable y correctamente instalada.