Protección contra sobretensiones en sistemas fotovoltaicos: Funciones y guía de selección

El papel de las sobretensiones en los sistemas fotovoltaicos

Una sobretensión, definida como una fluctuación instantánea y significativa de voltaje, desempeña un papel crucial en los sistemas fotovoltaicos (PV). Dado que la mayoría de los sistemas fotovoltaicos se instalan al aire libre y están expuestos al entorno natural durante largos periodos, son muy susceptibles a sobretensiones causadas por factores como rayos, fluctuaciones de tensión en la red y fallos internos del sistema. La función principal de un Dispositivo de Protección contra Sobretensiones (SPD) es soportar estos voltajes de sobretensiones y garantizar el funcionamiento seguro y estable del sistema fotovoltaico.

Principio de Protección

Los protectores contra sobretensiones suelen incorporar componentes clave como varistores de óxido metálico (MOVs). En condiciones normales de tensión, un MOV presenta un estado de alta impedancia, permitiendo que casi no pase corriente y, por tanto, sin impacto en el funcionamiento del sistema. Sin embargo, cuando ocurre una tensión de sobretensión y supera el umbral de disparo del MOV, la resistencia del MOV cae bruscamente e instantáneamente, cambiando a un estado de baja impedancia. Esto crea un camino de baja resistencia por el cual la corriente de sobretensiones se desvía rápidamente hacia tierra, evitando que los altos voltajes dañen componentes electrónicos sensibles dentro del sistema fotovoltaico. Actúa como una barrera robusta, protegiendo el sistema del daño por sobretensión.

Protección de Equipos Críticos

En sistemas fotovoltaicos, equipos caros y vitales operativamente como inversores, paneles fotovoltaicos y controladores dependen en gran medida de un voltaje estable. Los protectores contra sobretensiones protegen directamente estos dispositivos críticos de daños causados por tensiones de sobretensione. Por ejemplo, los inversores —componentes centrales que convierten corriente continua (CC) en corriente alterna (CA)— tienen requisitos estrictos de estabilidad en tensión. Los protectores contra sobretensiones previenen eficazmente fallos de inversores debido a impactos de sobretensiones, asegurando su funcionamiento normal y garantizando así la conversión y salida de energía de todo el sistema fotovoltaico.

Garantizar la operación continua del sistema

La instalación de protectores contra sobretensiones reduce significativamente los daños y los tiempos de inactividad causados por sobretensiones, mejorando así la eficiencia de generación de energía y el retorno de la inversión del sistema fotovoltaico. Sin protección contra sobretensiones, los daños en equipos inducidos por sobretensiones requerirían reparación o reemplazo, lo que resultaría en altos costes de mantenimiento y un tiempo prolongado de inactividad del sistema. Este tiempo de inactividad provoca pérdida de generación eléctrica y reducción de ingresos. Los protectores contra sobretensiones mitigan estos riesgos, asegurando que el sistema genere energía de forma continua y estable, proporcionando a los usuarios un suministro fiable y beneficios económicos.

Prevención de incendios y explosiones

En el lado de CC de los sistemas fotovoltaicos, las tensiones de sobretensión pueden causar arcos eléctricos, un fenómeno altamente peligroso que provoca fácilmente incendios y explosiones. Los protectores contra sobretensiones suprimen este riesgo de arcos eléctricos, reduciendo los riesgos de incendio, asegurando el funcionamiento seguro del sistema fotovoltaico y protegiendo al personal y al entorno circundante.

Cómo seleccionar el protector contra sobretensiones adecuado

Determinar el nivel de protección

Protección de Nivel 1 (Clase B): Utilizada principalmente en los armarios principales de distribución de edificios para resistir rayos directos y fuertes pulsos electromagnéticos de rayos. En sistemas fotovoltaicos a gran escala ubicados en zonas con actividad eléctrica frecuente, se puede instalar un protector contra sobretensiones de Nivel 1 en la línea principal de entrada del sistema. Esto proporciona la primera línea de defensa, evitando que la poderosa energía eléctrica se infiltre directamente en el sistema.

Protección de Nivel 2 (Clase C): Adecuada para armarios de distribución, protégé principalmente contra sobretensiones inducidas por rayos y sobretensiones de conmutación. En sistemas fotovoltaicos, los SPD de Clase C pueden instalarse en los terminales de entrada y salida de inversores, así como en cajas combinadoras. Reducen aún más las tensiones residuales tras la protección de Nivel 1, protegiendo el equipo posterior de sobretensiones inducidas y operativas.

Protección de Nivel 3 (Clase D): Normalmente se instala antes del equipo de uso final para proteger contra sobretensiones residuales inducidas por rayos y sobretensiones de conmutación. En sistemas fotovoltaicos, para dispositivos pequeños sensibles al voltaje como módulos de monitorización y registradores de datos, se puede instalar un protector contra sobretensiones de Nivel 3 en la parte frontal para proporcionar una protección más precisa y garantizar un funcionamiento estable.

Igualar el nivel de tensión

El voltaje máximo continuo de funcionamiento (Uc) del protector contra sobretensiones debe coincidir con el voltaje nominal del sistema fotovoltaico. Por ejemplo, un sistema PV común de 1000V requiere un protector contra sobretensiones con un Uc no inferior a 1000V. Si el SPD seleccionado tiene una tensión nominal excesivamente baja, puede dañarse durante el funcionamiento normal debido a la incapacidad para soportar el voltaje del sistema. Por el contrario, una clasificación de voltaje excesivamente alta puede impedir que el SPD se active rápidamente durante una sobretensión, volviéndolo ineficaz. Por tanto, ajustar con precisión el nivel de voltaje es un paso crítico en la selección del SPD.

Consideremos la capacidad de carga actual

La capacidad de transporte de corriente (Imax) se refiere a la corriente máxima de rayo que puede soportar un protector contra sobretensiones. En aplicaciones prácticas, el Imax del SPD debería ser ligeramente superior a la corriente de rayo esperada, en función de la actividad local del rayo y la intensidad potencial de sobretensiones que el sistema pueda encontrar. En zonas con relámpagos frecuentes, se requieren SPDs con mayores capacidades de transporte de corriente para asegurar que puedan desviar corriente hacia tierra de forma fiable durante sobretensiones fuertes sin fallar por sobrecarga, garantizando así la fiabilidad y longevidad del SPD.

Presta atención al tiempo de respuesta

El tiempo de respuesta de un protector contra sobretensiones debe ser lo más corto posible, idealmente en el rango de nanosegundos. Solo con un tiempo de respuesta suficientemente rápido, el SPD puede conducir rápidamente en el momento en que llega la corriente de rayo, desviando la corriente de sobretensión a tierra de forma inmediata y protegiendo el equipo de daños excesivos por voltaje. Una respuesta retardada significaría que el SPD solo se activa después de que el voltaje de sobretensión ya haya dañado el equipo, fallando en cumplir su función protectora.

Adaptarse a la ubicación y método de instalación

Sistemas fotovoltaicos centralizados: Los protectores contra sobretensiones pueden instalarse tanto en los terminales de entrada como en la de salida de los inversores. Instalar un SPD en la entrada del inversor protégé al inversor de sobretensiones que se originan en el lado del panel fotovoltaico, mientras que un SPD en el terminal de salida protégé el equipo del lado de la red frente a sobretensiones generadas por el inversor. Además, se deben instalar protectores contra sobretensiones adecuados en las cajas combinadoras de grandes centrales centrales centrales fotovoltaicas para garantizar la seguridad eléctrica durante el proceso de combinación de corriente.

Sistemas fotovoltaicos distribuidos: Debido a su menor escala y distribución dispersa, los sistemas fotovoltaicos distribuidos pueden tener protectores contra sobretensiones instalados en la caja combinadora de cada matriz fotovoltaica para proteger unidades individuales de generación de energía. Si un sistema FV distribuido está conectado a la red eléctrica interna de un edificio, también debe instalarse un protector contra sobretensiones correspondiente en la caja de distribución del edificio para evitar que las tensiones de sobretensiones se propaguen a otros equipos eléctricos a través de la red.