Selección de dispositivos de protección contra sobretensiones para sistemas fotovoltaicos - Instalación de SPD
1. Factores que afectan la instalación de SPD
Las sobretensiones en los sistemas fotovoltaicos (FV) instalados en azoteas se deben principalmente a impactos directos de rayos (sobre o cerca del edificio o del equipo FV con protección contra sobretensiones), a la tensión inducida por cambios en el campo eléctrico relacionados con rayos o a las operaciones de conmutación en las redes de distribución de energía CA/CC. Para evaluar la necesidad de protección contra sobretensiones y determinar la estrategia de protección adecuada, se debe utilizar como referencia la tensión nominal de resistencia al impulso (Uw) del equipo. A menos que se especifique lo contrario en una evaluación de riesgos, se deben instalar dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) tanto en el lado de CC como en el de CA del sistema FV.
Entre los dispositivos de un sistema fotovoltaico que pueden requerir protección se incluyen:
Inversores, incluidas las interfaces tanto para el sistema de CA de baja tensión como para el sistema de CC, conjuntos fotovoltaicos, cableado interno del sistema fotovoltaico, componentes instalados entre el inversor y los conjuntos fotovoltaicos, como cajas de conexión; equipos utilizados para la monitorización y el control del sistema fotovoltaico.
Según la norma IEC 61643-12 y las secciones pertinentes de la norma GB/T 21714, la selección e instalación de protectores contra sobretensiones (SPD) para sistemas fotovoltaicos dependen de múltiples factores. Estos incluyen la densidad de descargas a tierra (NG) [1/km²·año] o el número promedio de días de tormenta eléctrica por año (T), las características del sistema de alimentación de baja tensión (por ejemplo, líneas aéreas o cables subterráneos) y la naturaleza del equipo que se protege, así como si se ha instalado un sistema externo de protección contra rayos (LPS) para proteger el sistema fotovoltaico de impactos directos de rayos.
Si hay una LPS externa, los requisitos de SPD se ven influenciados por el nivel de protección (Clase) de la LPS y por si se mantiene la distancia de separación requerida (S) entre la LPS y el sistema fotovoltaico (LPS aislada frente a LPS no aislada).
2. Influencia de diferentes configuraciones externas de LPS en la protección contra rayos para sistemas fotovoltaicos
La instalación de protectores contra sobretensiones (SPD) para sistemas fotovoltaicos en azoteas generalmente se divide en tres categorías, según la presencia y el tipo de fuente de alimentación externa (LPS):
(1) Sistemas fotovoltaicos sin fuente de alimentación externa
Como se muestra en el diagrama (no incluido aquí), si el edificio no cuenta con un sistema externo de protección contra rayos, se deben instalar dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) según los resultados de una evaluación de riesgos de rayos. Se recomienda instalar dispositivos de protección contra sobretensiones tanto en el lado de CA como en el de CC para proteger los componentes fotovoltaicos críticos.
Para el lado de CC, se debe instalar un protector contra sobretensiones (SPD) de tipo 2 (denominado DC1) cerca de la caja de conexiones fotovoltaicas o del conjunto fotovoltaico (si no se utiliza caja de conexiones). Este SPD protege el edificio de las sobretensiones externas transmitidas a través de los cables fotovoltaicos y generalmente se instala justo después de que los cables fotovoltaicos entren al edificio. Se debe instalar otro SPD de tipo 2 (denominado DC2) cerca de la entrada de CC del inversor. Si la longitud del cable entre DC1 y el inversor es inferior a 10 metros, se puede omitir DC1.
Para el lado de CA, se recomienda un SPD de CA tipo 2 (denominado AC1) en la entrada de la red eléctrica de CA, generalmente ubicado en el panel de distribución principal. Este dispositivo protege contra sobretensiones provenientes de la red eléctrica. La necesidad de AC1 en un sistema sin protección externa contra rayos depende de los resultados de una evaluación de riesgo de rayos. Para proteger el costoso inversor, normalmente se instala un SPD de CA tipo 2 (denominado AC2) cerca de la salida de CA del inversor. Si la longitud del cable entre AC1 y AC2 es inferior a 10 metros, se puede omitir AC2. Consulte la tabla de configuración para obtener información detallada.
(2) Sistemas fotovoltaicos con LPS externos que cumplen con la distancia de separación requerida (LPS aislados)
Como se muestra en el diagrama, cuando un edificio cuenta con un sistema externo de protección contra rayos (como varillas o cintas de terminación aérea) y el conjunto fotovoltaico en la azotea está protegido por este sistema manteniendo la distancia de separación adecuada, se considera que el sistema fotovoltaico está equipado con un sistema de protección contra rayos aislado. Incluso en este caso, sigue siendo necesario instalar dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD).
Para sistemas con una fuente de alimentación aislada (LPS), la configuración del SPD es similar a la de sistemas sin protección externa contra rayos. Se debe instalar un SPD de CC tipo 2 cerca de la caja de conexiones o cerca del conjunto fotovoltaico si no se utiliza una caja de conexiones. Se debe colocar otro SPD de CC tipo 2 cerca del lado de CC del inversor y un SPD de CA tipo 2 cerca del lado de CA del inversor. Sin embargo, dado que el sistema fotovoltaico se conecta dentro y fuera del edificio, también se requiere un SPD de CA tipo 1 en el cuadro de distribución principal de CA, donde la energía eléctrica ingresa al edificio. Consulte la tabla de configuración para obtener instrucciones detalladas sobre el diseño.
(3) Sistemas fotovoltaicos con LPS externos que no cumplen con la distancia de separación requerida (LPS no aislados)
En los sistemas fotovoltaicos instalados en azoteas, donde los paneles están demasiado cerca del sistema de protección contra rayos (LPS) externo y no cumplen con la distancia de seguridad requerida, todas las partes metálicas del sistema fotovoltaico deben conectarse al LPS para garantizar una correcta conexión equipotencial. Este es el método habitual para la protección contra rayos en azoteas. En esta configuración, tanto los cables de CA como los de CC se tratan como conductores paralelos en el sistema de conexión, lo que significa que pueden verse afectados directamente por la corriente del rayo. Por ello, la IEC recomienda el uso de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) de tipo 1 —generalmente junto con SPD de tipo 2— en puntos clave del sistema: donde los cables fotovoltaicos entran al edificio y en ambos lados, de CA y CC, de dispositivos importantes como el inversor.
Como se muestra en el diagrama, DC1 debe instalarse lo más cerca posible de la caja de conexiones o, si no hay caja de conexiones, cerca del conjunto fotovoltaico. DC2 y AC2 deben colocarse cerca del inversor para una mejor protección. En la mayoría de los casos, se necesitan tanto AC1 (en el panel principal) como AC2 (cerca del inversor). Sin embargo, si el inversor está instalado dentro del panel principal y comparten la misma toma de tierra, con longitudes de cable iguales o inferiores a 0,5 metros, AC2 podría no ser necesario. Consulte la tabla para obtener instrucciones de instalación detalladas.
1: DC1 puede omitirse en las siguientes condiciones: Si la longitud del cable entre DC1 y el inversor es menor a 10 metros, y el nivel de protección de voltaje (Up) de AC2 es menor o igual a 0,8 veces el voltaje nominal de resistencia al impulso del conjunto fotovoltaico (Uw); o si el Up de AC2 es menor o igual a 0,5 veces Uw y el conductor PE (tierra de protección) está enrutado cerca de los cables de CC.
2: AC2 puede omitirse en las siguientes condiciones: Si la longitud del cable entre AC1 y AC2 es inferior a 10 metros; o si el inversor y el cuadro de distribución principal comparten el mismo electrodo de puesta a tierra, y los cables de conexión SPD no tienen una longitud superior a 0,5 metros cada uno; por ejemplo, si el inversor está instalado dentro del panel principal.
3: Área de sección transversal mínima para conductores de puesta a tierra de SPD: Para SPD de tipo 2, el conductor de puesta a tierra de cobre no debe ser menor de 6 mm²; para SPD de tipo 1, no debe ser menor de 16 mm².
La elección de los protectores contra sobretensiones (SPD) en el lado de CC de los sistemas fotovoltaicos en azoteas depende principalmente de la protección del edificio contra rayos y del cableado del sistema. Según la tabla de configuración y las normas IEC, siempre debe haber un protector contra sobretensiones en el lado de CC del inversor. Sin embargo, los SPD adicionales cerca de la caja de conexiones (o cerca de los paneles fotovoltaicos si no hay caja de conexiones) solo son necesarios si el cable entre los paneles y el inversor tiene una longitud superior a 10 metros.
Dicho esto, no es así como se hace en todas partes. En algunos países, como Alemania, las normas son prácticamente opuestas. Allí, la protección contra sobretensiones de CC siempre se instala justo al lado de los paneles fotovoltaicos, y solo es necesario añadir una cerca del inversor si el cable mide más de 10 metros.