Trabajo colaborativo de protectores contra sobretensiones, disyuntores y fusibles en sistemas fotovoltaicos: análisis funcional y debate sobre su necesidad.
Introducción
Con el rápido desarrollo de la industria fotovoltaica mundial, la seguridad y la estabilidad de los sistemas de generación de energía solar se han convertido en un aspecto fundamental para el sector. Los sistemas fotovoltaicos están expuestos a la intemperie durante largos periodos y son vulnerables a amenazas como rayos, fluctuaciones en la red eléctrica y fallos en los equipos, que pueden provocar daños o incluso incendios. Los protectores contra sobretensiones (SPD), los disyuntores y los fusibles son dispositivos de protección clave que, en conjunto, cumplen sus funciones para garantizar el funcionamiento seguro del sistema. Este artículo analizará en profundidad sus funciones, mecanismos de coordinación y su importancia para servir de referencia a los usuarios del sector.
I. El "asesino invisible" que acecha a los sistemas fotovoltaicos.
Las centrales de energía fotovoltaica son como "guerreros de acero" que trabajan al aire libre, soportando constantemente diversas pruebas extremas.
1.1 Problemas relacionados con los rayos:
En particular, en Oriente Medio y el Sudeste Asiático, una sola temporada de tormentas eléctricas puede paralizar sistemas que carecen de protección.
1.2 Fluctuaciones de la red eléctrica:
En el proyecto chileno del que estuve a cargo, varios equipos se quemaron debido a un aumento repentino en el voltaje de la red eléctrica.
1.3 Riesgo de cortocircuito:
El año pasado, un proyecto en Alemania sufrió un cortocircuito debido al envejecimiento del cableado, que estuvo a punto de provocar un incendio.
Estos riesgos no son una exageración. Según la Alianza Internacional para la Seguridad Fotovoltaica, más del 60 % de las fallas en los sistemas fotovoltaicos se deben a una protección eléctrica inadecuada.
II. Funciones básicas de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD)
2.1 Principio de funcionamiento
Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) desvían las sobretensiones transitorias a tierra mediante varistores de óxido metálico (MOV) o tubos de descarga de gas (GDT), limitando la tensión a un rango seguro. En los sistemas fotovoltaicos, los SPD se instalan normalmente en las siguientes ubicaciones:
Lado de CC (entre los módulos y el inversor): Para proteger contra sobretensiones provocadas por rayos.
Lado de CA (entre el inversor y la red): Para suprimir la sobretensión proveniente de la red eléctrica.
2.2 Parámetros clave
Tensión máxima de funcionamiento continuo (Uc): Debe coincidir con el nivel de tensión del sistema fotovoltaico (como 1000 V CC o 1500 V CC).
Corriente de descarga (In/Iimp): Refleja la capacidad de descargar la corriente de un rayo, y los sistemas fotovoltaicos normalmente requieren 20 kA o más.
Nivel de protección de tensión (Arriba): Determina la magnitud de la tensión residual y debe ser inferior a la tensión de resistencia del equipo protegido.
2.3 Necesidad
Evite que equipos costosos, como inversores y cajas de conexiones, se dañen por sobretensiones.
Cumplir con las normas internacionales (como IEC 6164331 y UL 1449) y los requisitos de aceptación para centrales de energía fotovoltaica.
III. Funcionamiento y selección de disyuntores y fusibles
3.1 Disyuntor
Función:
• Protección contra sobrecarga: Cuando la corriente supera el valor establecido (por ejemplo, 1,3 veces la corriente nominal), se activa el mecanismo de disparo térmico.
• Protección contra cortocircuitos: El mecanismo de disparo electromagnético interrumpe la corriente de cortocircuito (por ejemplo, 10 kA) en cuestión de milisegundos.
•Características de aplicación para energía fotovoltaica:
Es necesario seleccionar un disyuntor de CC específico (como uno de 1000 V/1500 V CC).
La capacidad de interrupción debe coincidir con la corriente de cortocircuito del sistema (normalmente ≥ 15 kA).
3.2 Fusible
Función:
Al fundir el elemento fusible, se puede aislar rápidamente el circuito defectuoso y proteger la rama conectada en serie.
Ventajas:
La velocidad de desconexión es más rápida (del orden de los microsegundos), lo que la hace adecuada para escenarios con altas corrientes de cortocircuito.
Es de tamaño reducido y adecuado para cajas de distribución eléctrica con espacio limitado.
3.3 Colaboración con SPD
El SPD es responsable de la protección contra sobretensiones, mientras que los disyuntores/protectores de fusibles son responsables de la protección contra sobretensiones.
Cuando un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) falla debido a una sobretensión, los disyuntores o los protectores de fusibles pueden cortar rápidamente el circuito defectuoso para evitar un incendio.
IV. Estudio de caso de un sistema de protección multinivel
Tomemos como ejemplo una central eléctrica fotovoltaica de 1 MW:
4.1 Protección en el lado de CC
Ramificaciones de la serie de componentes: Instale fusibles (como los de tipo gPV de 10 A) para cada serie.
Entrada a la caja de conexiones: Instale un dispositivo SPD tipo II (hasta ≤ 1,5 kV) y un interruptor automático de CC (63 A).
4.2 Protección en el lado de CA
Extremo de salida del inversor: Configure un SPD tipo 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) y un disyuntor de caja moldeada (250 A).
4.3 Simulación de escenarios de fallos
Cuando se produce una descarga eléctrica: el dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) libera la corriente de sobretensión y limita la tensión a menos de 2 kV; si el SPD falla debido a un cortocircuito, el disyuntor se dispara.
En caso de cortocircuito en la línea: El fusible se funde en 5 ms para evitar la propagación del efecto de punto térmico.
V. Precauciones para la selección e instalación
5.1 Selección de SPD
Para el lado de CC, se debe seleccionar un SPD específico para energía fotovoltaica (como PVSPD) para evitar el problema de la corriente inversa de los SPD de CA ordinarios.
Se debe tener en cuenta un margen de temperatura (Uc necesita dejar un margen en entornos de alta temperatura).
5.2 Coincidencia entre disyuntor y fusible
La capacidad de interrupción debe ser superior a la corriente máxima de cortocircuito del sistema (por ejemplo, la corriente de falla de la cadena puede alcanzar 1,5 kA).
La corriente nominal del fusible debe ser superior a 1,56 veces la corriente de cortocircuito del componente (Isc) (de acuerdo con la norma NEC 690.8).
5.3 Sugerencias para la integración del sistema
La longitud del cable entre el dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) y el interruptor automático debe ser ≤ 0,5 m para reducir la tensión residual.
Deben realizarse inspecciones periódicas de los indicadores de estado del SPD, y los módulos defectuosos deben reemplazarse a tiempo.
VI. Tendencias del sector y actualizaciones de estándares
• Alta demanda de voltaje: Con la adopción generalizada de sistemas fotovoltaicos de 1500 V, es necesario mejorar de forma sincronizada los niveles de voltaje que soportan los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) y los interruptores automáticos.
• Monitorización inteligente: Los dispositivos SPD inteligentes que integran sensores de temperatura y funciones de comunicación inalámbrica se están aplicando gradualmente para lograr una alerta temprana de fallos a distancia.
• Refuerzo de la norma: La nueva versión de la norma IEC 625482023 ha impuesto requisitos de coordinación más estrictos para los dispositivos de protección de los sistemas fotovoltaicos.
Conclusión
En los sistemas fotovoltaicos, los protectores contra sobretensiones, los disyuntores y los fusibles conforman un sistema de protección integral que combina tensión y corriente. La correcta selección y configuración de estos componentes no solo prolonga la vida útil de los equipos y reduce los costos de operación y mantenimiento, sino que también es fundamental para garantizar el funcionamiento seguro de las centrales eléctricas. Con el desarrollo tecnológico, la integración y la inteligencia de estos dispositivos de protección mejorarán aún más la fiabilidad de los sistemas fotovoltaicos en el futuro.