Fusibles fotovoltaicos de corriente continua: principios, selección, clasificación y aplicaciones

1. ¿Qué es un fusible de corriente continua y cómo funciona?

Un fusible de corriente continua es un dispositivo de protección contra sobrecorriente conectado en serie dentro de un circuito. Su principio fundamental se basa en las características de fusión térmica del metal. Cuando una sobrecorriente que supera un valor especificado fluye durante una duración suficiente, el elemento fusible (normalmente hecho de materiales como plata pura) se calienta y se funde, interrumpiendo así el circuito y evitando la escalada de fallos.

El proceso de trabajo puede resumirse de la siguiente manera: En funcionamiento normal, el elemento fusible conduce corriente como parte del circuito. Cuando ocurre un cortocircuito o una sobrecarga severa, la alta corriente genera calor, derritiendo rápidamente el elemento y produciendo un arco dentro del tubo fusible. Extinguir un arco de corriente continua es mucho más difícil que un arco de corriente alterna porque la corriente continua tiene una dirección constante y carece de los puntos naturales de cruce de cero (que ocurren cientos de veces por segundo en la corriente alterna) que permiten la extinción natural del arco.

Por esta razón, los tubos fusibles de corriente continua se rellenan con arena de cuarzo de alta pureza. La arena actúa para enfriar forzosamente el arco y absorber su energía, forzando que el arco se extinga en un tiempo extremadamente corto. Factores como la longitud del tubo, la pureza y composición de la arena de cuarzo, y el diseño del elemento fusible determinan colectivamente el rendimiento de extinción por arco.

2. ¿Cómo seleccionar el fusible de corriente continua adecuado para un sistema solar?

La selección de un fusible de corriente continua fotovoltaica no puede hacerse simplemente adaptando los parámetros del fusible de corriente alterna. Los siguientes factores clave deben considerarse de forma exhaustiva:

1. Voltaje nominal (Ue): Debe superar el voltaje máximo del sistema

El voltaje de circuito abierto de los módulos fotovoltaicos aumenta a medida que baja la temperatura. Según la norma IEC 60269-6 para fusibles fotovoltaicos, el voltaje nominal del fusible debe ser mayor o igual que el voltaje máximo de circuito abierto de la cadena PV a la temperatura ambiente mínima esperada en el lugar de instalación. Por ejemplo, si la tensión máxima de la cadena a baja temperatura alcanza 1000V CC, debes seleccionar un fusible homologado para 1000V DC o superior. Nunca uses un fusible de 600V DC para proteger un sistema de 1000V DC.

2. Corriente nominal (In): Sigue la regla del factor de seguridad de 1,25

Según normas internacionales como la NEC 690.9 e IEC 62548, la corriente nominal del fusible debe cumplir:

En ≥ 1,25 × Isc (donde Isc es la corriente de cortocircuito de la cadena PV).

Por ejemplo, si una cuerda tiene un ISC de 10A, la clasificación mínima requerida para el fusible es de 12,5A, y deberías seleccionar la siguiente clasificación estándar superior, como 15A.

Además, deben observarse los principios de coordinación: los propios módulos fotovoltaicos tienen cierta capacidad de resistencia a sobrecorriente inversa (IEC 61730-2 requiere que los módulos soporten 1,35 veces la capacidad máxima de fusible). El fusible seleccionado debe fundirse dentro del tiempo especificado a 1,35 veces su corriente nominal para proteger eficazmente los módulos.

3. Capacidad de ruptura (I1): Debe cubrir la corriente máxima de fallo

Cuando varias cadenas están conectadas en paralelo en una matriz PV, si ocurre un cortocircuito en una cadena, todas las demás cadenas paralelas alimentan corriente al punto de fallo. La capacidad de corte nominal del fusible debe ser mayor que la corriente máxima prospectiva de cortocircuito que pueda producirse en ese punto de instalación. En centrales eléctricas a gran escala montadas en tierra o sistemas de almacenamiento de energía por batería, las corrientes de cortocircuito pueden ser muy altas, requiriendo fusibles con capacidades de corte de 20kA, 50kA o incluso más.

4. Imprescindible usar fusibles fotovoltaicos de corriente continua dedicados

Nunca cambies un fusible de corriente continua por uno de corriente alterna. Los arcos de DC no se extinguen por sí solos. Si se usa un fusible de CA en un circuito de corriente continua, debe reducirse significativamente (por ejemplo, un fusible de 1000V CA podría ser utilizable solo en un circuito de 440V CC). Por lo tanto, debe seleccionar fusibles explícitamente marcados como compatibles con corriente continua, que cumplan con IEC 60269-6 y que presenten la característica gPV para aplicaciones fotovoltaicas.

3. Tipos comunes de fusibles de corriente continua y comparaciones de aplicaciones

Según su ubicación de instalación y los objetos que protegen en un sistema fotovoltaico, los fusibles de corriente continua pueden dividirse en las siguientes categorías comunes:

1. Fusibles cilíndricos para protección de la cadena fotovoltaica

Estos fusibles son compactos (tamaños comunes: 10×38 mm, 10×85 mm cilíndricos) y normalmente se instalan en cajas combinadoras de CC o en las entradas de inversores de cadena, conectados directamente en serie con cada circuito de cadena fotovoltaica. Su función principal es prevenir fallos de corriente inversa entre cadenas y proteger los módulos fotovoltaicos y cables de sobrecargas inversas. Si ocurre un cortocircuito en una rama, el fusible se quema rápidamente, aislando la rama defectuosa sin afectar a otras cadenas que funcionan normalmente. Su capacidad de frenado suele estar en el rango de 10kA–20kA, con corrientes comunes de 2A a 30A.

2. Fusibles de palas de cuerpo cuadrado para circuitos combinadores y de conversión

Estos fusibles son de mayor tamaño, presentan un diseño de tubo cuadrado extendido con contactos de palas atornillados en bases de fusibles, lo que les permite transportar e interrumpir corrientes muy altas. Se utilizan principalmente en la salida de cajas combinadoras en centrales fotovoltaicas, en el lado de entrada de corriente continua de inversores y para proteger grandes paquetes de almacenamiento de energía en baterías. No solo sirven como protección contra sobrecargas, sino también para manejar corrientes de fallo extremadamente altas (hasta 50 kA o más) generadas durante los cortocircuitos de la barra colectora, con tiempos de interrupción en milisegundos. Las corrientes típicas oscilan entre 35A y 500A. Sirven como los principales dispositivos de protección en los armarios de distribución de CC y en el lado de DC de los grandes inversores.

3. Fusibles de acción muy rápida para sistemas de baterías

En los sistemas de almacenamiento de energía fotovoltaico, los paquetes de baterías y circuitos de carga requieren fusibles específicos para corriente continua con características de respuesta muy rápida. Estos fusibles utilizan características de fundición ultrarrápidas, con tiempos de interrupción tan cortos como 15–100 microsegundos. Se utilizan principalmente para proteger baterías, controladores de carga y el bus de corriente continua de los inversores contra corrientes de sobretensión o cortocircuitos graves que podrían dañar instantáneamente los dispositivos semiconductores. Normalmente se instalan cerca del banco de baterías o en disseccionadores dedicados para interruptores de fusible.

Resumen

Desde los pequeños fusibles de protección en las cajas combinadoras fotovoltaicas, hasta los fusibles de hoja cuadrada de gran capacidad en los armarios convertidores, y los fusibles de acción muy rápida en los sistemas de batería, los fusibles de CC forman múltiples capas de protección en el lado de CC de una central fotovoltaica. Seleccionando el tipo y los parámetros correctos de fusibles, y siguiendo los principios fundamentales de "Clasificación de corriente continua, adaptación de voltaje, corriente reducida (con margen de seguridad) y capacidad de corte suficiente", se asegura que los fusibles cumplan su función como línea de defensa final, protegiendo el funcionamiento seguro de la central fotovoltaica.