Selección de dispositivos de protección contra sobretensiones para sistemas fotovoltaicos: tipos de SPD
La generación de energía fotovoltaica (FV) es una fuente clave de energía renovable y resulta altamente competitiva económicamente en comparación con la generación de energía tradicional. Los pequeños sistemas fotovoltaicos distribuidos, como los paneles solares en tejados, son cada vez más populares. Estos sistemas utilizan distribución de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC), con voltajes que alcanzan hasta 1500 V. El lado de CC, especialmente los paneles fotovoltaicos, puede estar directamente expuesto a descargas atmosféricas en zonas de alto riesgo, lo que los hace vulnerables a los daños causados por rayos.
La protección contra rayos en edificios se divide en protección externa (Sistema de Protección contra Rayos, SPR) y protección interna (Medidas de Protección contra Sobretensiones, MPS), según el riesgo de rayos. Los Dispositivos de Protección contra Sobretensiones (DPS), como parte de la protección interna, protegen contra sobretensiones transitorias causadas por rayos atmosféricos o maniobras de conmutación. Los DPS se instalan fuera del equipo protegido y funcionan principalmente de la siguiente manera: cuando no hay sobretensiones en el sistema eléctrico, el DPS no afecta significativamente el funcionamiento normal del sistema que protege. Cuando se produce una sobretensión, el DPS ofrece baja impedancia, desviando la corriente de sobretensión a través de sí mismo y limitando la tensión a un nivel seguro. Una vez que la sobretensión ha pasado y cualquier corriente residual se ha disipado, el DPS vuelve a un estado de alta impedancia.
1. Ubicación de instalación de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD)
La ubicación de instalación de los SPD se determina según el grado de riesgo de rayos y se basa en el concepto de Zonas de Protección contra Rayos (ZPR) de la norma IEC 62305. Las sobretensiones transitorias se reducen progresivamente a un nivel seguro, que debe ser inferior a la tensión de resistencia del equipo protegido. Como se ilustra en la figura, los SPD se instalan en los límites de estas zonas, dando lugar al concepto de protección contra sobretensiones multinivel utilizado en sistemas de baja tensión. En los sistemas fotovoltaicos, el objetivo es evitar que las sobretensiones causadas por rayos entren por los lados de CA y CC, protegiendo así componentes críticos como los inversores.
2. Clases de prueba de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD)
Según la norma IEC 61643-11, los SPD se clasifican en tres categorías de prueba según el tipo de impulso de corriente de rayo que están diseñados para soportar. Las pruebas de tipo I (marcadas como T1) están diseñadas para simular corrientes de rayo parciales que pueden conducirse a un edificio. Estas utilizan una forma de onda de 10/350 µs, como se muestra en la figura siguiente, y se aplican normalmente en el límite entre LPZ0 y LPZ1, como en cuadros de distribución principales o entradas de transformadores de baja tensión. Los SPD para este nivel suelen ser de tipo conmutación de tensión, con componentes como tubos de descarga de gas o descargadores de chispa (por ejemplo, descargadores de bocina o de grafito).
Las pruebas de tipo II (T2) y tipo III (T3) utilizan impulsos de menor duración. Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) de tipo II suelen ser limitadores de tensión que emplean componentes como varistores de óxido metálico (MOV). Se prueban con una corriente de descarga nominal mediante una forma de onda de corriente de 8/20 µs (véase la figura siguiente) y son responsables de limitar aún más la sobretensión residual proveniente del dispositivo de protección aguas arriba. Las pruebas de tipo III utilizan un generador de ondas combinado con un impulso de tensión de 1,2/50 µs y un impulso de corriente de 8/20 µs (véase la figura siguiente), simulando sobretensiones más cercanas a los equipos de uso final.
3. Tipo de conexión del dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD)
Existen dos modos principales de protección contra sobretensiones transitorias. El primero es la protección en modo común (CT1), diseñada para proteger contra sobretensiones entre conductores activos y la toma de tierra (PE). Por ejemplo, los rayos pueden introducir altas tensiones con respecto a tierra en un sistema. La protección en modo común ayuda a mitigar el impacto de estas perturbaciones externas, como los rayos, tal como se ilustra a continuación.
La segunda es la protección diferencial (CT2), que protege contra sobretensiones entre el conductor de línea (L) y el conductor neutro (N). Este tipo de protección es especialmente importante para mitigar perturbaciones internas, como el ruido eléctrico o las interferencias generadas dentro del propio sistema, como se muestra en el diagrama a continuación.
Al implementar uno o ambos de estos modos de protección, los sistemas eléctricos pueden estar mejor protegidos contra posibles sobretensiones, lo que en última instancia mejora la vida útil y la fiabilidad de los equipos conectados.
Es importante tener en cuenta que la selección de los modos de protección SPD debe coincidir con el sistema de puesta a tierra instalado. En sistemas TN, se pueden usar los modos de protección CT1 y CT2. Sin embargo, en sistemas TT, CT1 solo se puede aplicar aguas abajo de un RCD. En sistemas IT, especialmente aquellos sin conductor neutro, la protección CT2 no es aplicable. Esta es una consideración fundamental en sistemas de distribución de CC que utilizan configuraciones de puesta a tierra IT. Encontrará más detalles en la tabla a continuación.
4. Parámetros clave de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD)
Según la norma internacional IEC 61643-11, las características y pruebas de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) conectados a sistemas de distribución de energía de baja tensión se definen como se muestra en la Figura 7.
(1) Nivel de protección de voltaje (hacia arriba)
El aspecto más importante al seleccionar un SPD es su nivel de protección de tensión (Up), que caracteriza su rendimiento al limitar la tensión entre terminales. Este valor debe ser superior a la tensión máxima de sujeción. Se alcanza cuando la corriente que circula por el SPD es igual a la corriente de descarga nominal In. El nivel de protección de tensión seleccionado debe ser inferior a la tensión de resistencia al impulso Uw de la carga. En caso de descargas atmosféricas, la tensión entre los terminales del SPD generalmente se mantiene por debajo de Up. Para sistemas fotovoltaicos de CC, la carga suele referirse a los módulos fotovoltaicos y los inversores.
(2) Tensión máxima de funcionamiento continuo (Uc)
Uc es la tensión continua máxima que se puede aplicar de forma continua al modo de protección contra sobretensiones (SPD). Se selecciona en función de la tensión nominal y la configuración de puesta a tierra del sistema, y sirve como umbral de activación del SPD. Para el lado de CC de los sistemas fotovoltaicos, Uc debe ser mayor o igual que Uoc Max del conjunto fotovoltaico. Uoc Max se refiere a la tensión máxima en circuito abierto entre los terminales de fase y entre el terminal de fase y tierra en el punto designado del conjunto fotovoltaico.
(3) Corriente de descarga nominal (in)
Este es el valor máximo de una corriente de forma de onda de 8/20 μs que fluye a través del SPD, utilizado para pruebas de tipo II y para pruebas de preacondicionamiento en tipo I y Tipo IILa norma IEC exige que el dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) pueda soportar al menos 19 descargas de corriente con forma de onda de 8/20 μs. Cuanto mayor sea el valor de In, mayor será la vida útil del SPD, pero también aumentará su coste.
(4) Corriente de impulso (Iimp)
Definida por tres parámetros: corriente pico (Ipeak), carga (Q) y energía específica (W/R), esta corriente se utiliza en Tipo I pruebas. La forma de onda típica es de 10/350 μs.