¿Por qué los sistemas solares fotovoltaicos necesitan protectores contra sobretensiones?

Introducción

Para maximizar la eficiencia de la generación de energía, los sistemas solares fotovoltaicos suelen instalarse en zonas despejadas como tejados, campos abiertos y zonas montañosas, cubriendo una amplia área. Este entorno de instalación expuesto los convierte en objetivos de alto riesgo para impactos eléctricos. Al mismo tiempo, los sistemas solares de corriente continua presentan altos voltajes (comúnmente 1000V-1500V) y no hay un punto de cruce de corriente natural de cero. Una vez alcanzado por una sobretensión, el arco eléctrico es difícil de extinguir automáticamente, lo que puede causar fácilmente daños en el equipo o incluso incendios. Por ello, los Dispositivos de Protección contra Sobretensiones (SPD) son equipos esenciales para garantizar el funcionamiento seguro de las centrales solares. Este artículo profundizará en la definición, el principio de funcionamiento, los métodos de instalación y la guía de compra de los protectores contra sobretensiones.

1. ¿Qué es un protector contra sobretensiones?

Un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) es un dispositivo de protección utilizado para limitar la sobretensión transitoria y la corriente de sobretensión de descarga. En los sistemas solares fotovoltaicos, contiene al menos un componente no lineal, conectado en paralelo o en serie en el circuito, para resistir el impacto de rayos directos, sobretensión inducida y sobretensión de funcionamiento de la red sobre los equipos.

El SPD diseñado específicamente para sistemas fotovoltaicos debe cumplir los requisitos duales de alto voltaje de corriente continua y un entorno electromagnético complejo. Según las disposiciones de la norma IEC 61643-32:2017 de la Comisión Electrotécnica Internacional, el SPD utilizado para sistemas fotovoltaicos debe aplicarse a dispositivos fotovoltaicos con un valor efectivo de tensión lateral de CA no superior a 1000V y un voltaje lateral de CC no superior a 1500V.

Los valores fundamentales de los SPD en sistemas solares fotovoltaicos se reflejan en los siguientes aspectos:

- Resistencia al impacto de sobretensión: Responder rápidamente cuando ocurre un rayo o sobretensión operativa, desviando la corriente de sobretensión hacia tierra.

- Protección de equipos clave: Protección directa de activos centrales como cajas combinadoras, inversores y módulos solares.

- Garantizar el funcionamiento continuo: Reducir los tiempos de inactividad no planificados causados por rayos y proteger los ingresos por generación de energía de la central.

- Prevención de incendios y explosiones: Suprimir el riesgo de arco lateral de corriente continua causado por sobretensión y reducir los riesgos de incendio.

2. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un protector contra sobretensiones?

El principio de funcionamiento central de los SPD PV se basa en características de resistencia no lineales, siendo los varistores de óxido metálico (MOVs) el componente central en la tecnología convencional. Su proceso de trabajo puede dividirse en cuatro etapas:

2.1 Etapa normal de alta impedancia

Cuando el voltaje del sistema es normal y inferior al umbral inicial (voltaje de varistores) del SPD, el MOV presenta una resistencia extremadamente alta (nivel de megaohmios), como un aislante, permitiendo que pase solo una corriente de fuga muy pequeña (normalmente <1mA), lo que no afecta al funcionamiento normal del sistema fotovoltaico solar.

2.2 Etapa de disparo por sobretensión

Cuando ocurre un rayo o una sobretensión operativa y la tensión de línea supera el umbral de tensión de varistores del MOV en un instante, se produce un efecto avalancha en la estructura cristalina dentro del MOV——el valor de resistencia cae bruscamente hasta un estado casi conductor (nivel de miliohmios), formando un camino de descarga de baja impedancia.

2.3 Descarga de energía y sujeción por tensión

Una vez formado el camino de baja impedancia, la gran corriente de sobretensión se descarga rápidamente al sistema de tierra. Durante este proceso, el MOV sujeta la sobretensión por debajo de su nivel de protección (Arriba), asegurando que la tensión residual en el equipo protegido sea siempre inferior a la resistencia de su aislamiento.

2.4 Recuperación Automática y Protección contra Fallos

Tras el paso de la sobretensión y el voltaje vuelve al rango normal, el MOV se restaura automáticamente a un estado de alta impedancia y el sistema funciona con normalidad. Si la energía de sobretensión supera el límite de rodamientos del SPD y causa deterioro, el dispositivo de disparo térmico integrado lo desconectará del circuito y activará un indicador de alarma visual (como que la ventana cambie de verde a rojo) para evitar la expansión de fallos de cortocircuito.

Cabe señalar que, debido a la ausencia de un punto de cruce de corriente natural en los sistemas de corriente continua, la corriente de seguimiento generada tras el encendido del SPD es más difícil de cortar que en los sistemas de corriente alterna. Por lo tanto, los SPD de CC fotovoltaicos necesitan tener capacidades de extinción de arcos más fuertes y niveles de resistencia a cortocircuitos más altos.

  3. ¿Cómo instalar protectores contra sobretensiones para proteger las centrales solares fotovoltaicas?

La instalación de protectores contra sobretensiones en sistemas solares fotovoltaicos debe seguir los principios de "protección graduada, protección cercana y conexión a tierra fiable". Combinados con la arquitectura del sistema (centralizada, tipo cuerda), deberían estar razonablemente dispuestos en el lado de corriente continua, lado de corriente alterna y lado de señal de control para formar un sistema integral de protección contra sobretensiones. Al mismo tiempo, se requiere un estricto cumplimiento de las especificaciones de instalación para evitar afectar el efecto de protección debido a una instalación incorrecta. Los puntos específicos de instalación son los siguientes:

3.1Selección del lugar de instalación

La protección contra sobretensiones de los sistemas solares fotovoltaicos debe cubrir todo el enlace de "módulos — cajas combinadoras — inversores — armarios conectados a la red". Los principales lugares de instalación se dividen en 3 categorías:

3.2 Instalación lateral de corriente continua: Protege principalmente módulos solares, cajas combinadoras y los terminales de entrada de corriente continua de los inversores, divididos en protección de dos niveles. El primer nivel se instala entre la cadena solar del módulo y la caja combinadora, o dentro de la caja combinadora, para suprimir las sobretensiones de rayos inducidas desde el lado del módulo; el segundo nivel se instala entre el terminal de salida de la caja combinadora y el terminal de entrada de corriente continua del inversor para debilitar aún más la energía de sobretensiones y proteger los componentes principales del inversor. Los SPDs del lado de CC deben proporcionar protección para los polos positivos y negativos a tierra (/PE, -/PE) para adaptarse al entorno de alta tensión de corriente continua. Si la distancia entre el inversor y la matriz fotovoltaica es inferior a 10 m, y el nivel de protección de tensión del SPD frontal es ≤ 0,8 veces la tensión nominal de resistencia al impulso de la matriz fotovoltaica, algunos puntos de instalación pueden omitirse.

3.3 Instalación lateral AC: Protege principalmente inversores, armarios conectados a la red y equipos del lado de la red, instalados en el terminal de salida de CA del inversor y dentro del armario conectado a la red. Se utiliza para suprimir sobretensiones causadas por fluctuaciones de la rejilla y ondas de rayo que invaden desde el lado de la red, siendo el modo de protección mayormente L-N/L-PE. Debe usarse con interruptores automáticos para adaptarse a los estándares de los sistemas de aire alterno. Si la distancia entre el armario principal de distribución de energía y el SPD en el inversor es inferior a 10 m, no es necesario instalar repetidamente.

3.4 Instalación de la señal de control en el lateral: Instalado en la interfaz de señal de los sistemas de monitorización y equipos de adquisición de datos, se selecciona un SPD dedicado para evitar que las sobretensiones invadan las líneas de señalización, dañen equipos de control y aseguren la monitorización normal del sistema y la transmisión de datos.

3.5Requisitos de la especificación de instalación

1. Método de instalación: Se da prioridad a la instalación de raíles DIN de 35 mm, cumpliendo con la norma EN 60715. Durante la instalación se requiere operación con apagado para evitar riesgos de seguridad causados por trabajos en vivo.
2. Requisitos de cableado: El SPD debe conectarse en paralelo a la línea de alimentación en el extremo frontal del equipo protegido. La longitud del conductor de conexión del cable fase/neutro no debe superar 1 m, y la longitud del cable de tierra no debe superar los 0,5 m. Debe reservarse un radián en la esquina del conductor para evitar curvas en ángulo recto; El conductor de conexión debe seleccionarse con un área de sección transversal adecuada, con un mínimo de cable monohilo de 1,5 mm² y un máximo de 35 mm² de cable multihilo para garantizar un rendimiento conductor.
3. Requisitos de toma de tierra: La conexión a tierra debe ser fiable, con una resistencia a tierra inferior a 4Ω. El SPD está conectado a la tira de unión equipotencial de protección contra rayos del sistema solar fotovoltaico para asegurar que la corriente de sobretensiones pueda introducirse rápidamente en el suelo; si el sistema de protección contra rayos (LPS) y el marco del módulo fotovoltaico no cumplen la distancia de separación segura, deben usarse cables blindados y ambos extremos de la capa de blindaje deben estar conectados a tierra y capaces de soportar parte de la corriente de rayo.
4. Protección de soporte: Se debe instalar un pequeño interruptor automático o un fusible de protección contra rayos en la parte frontal del SPD para evitar fallos causados por accidentes que no sean por rayos; la distancia entre el SPD y el equipo protegido no debe superar los 5 m para asegurar el efecto de protección.

4..Guía de compra de protectores contra sobretensiones

La compra de SPDs dedicados a sistemas solares fotovoltaicos debe considerarse de forma exhaustiva en combinación con los parámetros del sistema, el entorno de servicio, los requisitos de protección y otros factores. El núcleo es garantizar la adaptabilidad, fiabilidad y seguridad, y evitar fallos de protección causados por una selección incorrecta. Los puntos específicos de compra son los siguientes:

4.1 Aclarar los parámetros del sistema para garantizar la adaptabilidad

Ajuste de parámetros de tensión: Según el voltaje de trabajo del lado DC y el lado AC del sistema solar fotovoltaico, selecciona el SPD con la correspondiente tensión continua de trabajo (Uc). El SPD del lado DC debe adaptarse al voltaje máximo de circuito abierto del sistema (como sistemas de 1000V, 1500V), y el lado de CA debe adaptarse a una frecuencia de potencia de 380V. El valor de Uc debería reservar un margen de seguridad suficiente para evitar un envejecimiento acelerado debido a la electrificación a largo plazo. Por ejemplo, el voltaje continuo de funcionamiento continuo del SPD del lado DC para un sistema solar fotovoltaico de 1000V puede ser de 500V para asegurar la adaptación a las condiciones de funcionamiento del sistema.

4.2 Selección de la capacidad de carga actual: Combinado con el nivel de protección contra rayos del área donde se encuentra la central solar fotovoltaica y el número de conductores descendentes, se selecciona el SPD con la capacidad adecuada de transporte de corriente. Para zonas con alto nivel de protección contra rayos y más conductores descendentes, deben seleccionarse productos con una fuerte capacidad de transporte de corriente. Para SPDs limitantes de tensión en el lado de CC, la corriente de impulso (Iimp) y la corriente nominal de descarga (In) pueden seleccionarse con referencia a los estándares correspondientes. Por ejemplo, cuando el nivel de protección contra rayos es Clase I y el número de conductores descendentes es menor a 4, se puede seleccionar una combinación de SPD de prueba Clase I (Iimp ≥ 5kA) y SPD de prueba Clase II (en ≥ 8,5kA), o solo se puede usar SPD de prueba Clase I (Iimp ≥ 8,5kA).

4.3 Adaptación del modo de protección: El lado DC adopta el modo de protección bipolar /-/PE, el lado AC adopta el modo de protección L-N/L-PE y el lado de la señal de control adopta un modo dedicado de protección de señal para garantizar la protección total del enlace sin callejones sin salida.

4.4 Consejos para evitar trampas

- No mezclar SPDs de CA: El uso de SPDs de 220V en sistemas de 1000V CC puede provocar fallos o explosiones.

- Prestar atención a la adaptación de fusibles: La corriente nominal del fusible de respaldo debe ser mayor que la corriente máxima posible en la rama SPD, de lo contrario no puede desempeñar un papel de protección contra cortocircuitos.

- Se requiere un desacoplador si la distancia entre etapas es insuficiente: Si la distancia entre dos niveles de SPD no puede cumplir con el requisito de 10 m, debe conectarse en serie un inductor de desacoplamiento para lograr la coordinación de energía.

En resumen, los protectores contra sobretensiones son equipos clave de apoyo para el funcionamiento seguro y estable de los sistemas solares fotovoltaicos. Comprender correctamente su definición y principio de funcionamiento, estandarizar la instalación y la compra científica puede construir un sistema integral de protección contra sobretensiones, resistir eficazmente los riesgos de sobretensiones, prolongar la vida útil de los equipos fotovoltaicos y garantizar los ingresos estables a largo plazo de las centrales solares fotovoltaicas.