Fuente: iaeimagazine.org
La tormenta perfecta para la destrucción de Lightning está en el campo solar. La ubicación -}}} y a menudo expuesta y aislada - hace que la protección contra la sobretensión sea crítica para que dure su vida útil.
Lightning es una descarga eléctrica en la atmósfera. Cuando ocurre un rayo, los incendios son propensos a ocurrir debido a la liberación de energía. Las nubes de Nimbus (nubes de lluvia) tienen una concentración de carga eléctrica, y su acumulación crea una ionización del aire. La ionización del aire que se encuentra entre el suelo y las nubes de Nimbus crea una descarga de las nubes al suelo. Las nubes de Nimbus causan las mayores oleadas porque son lo que generan rayos.
Los rayos indirectos son destructivos. Las observaciones anecdóticas sobre la actividad del rayo suelen ser un indicador deficiente del nivel de relámpagos - sobrecargaciones inducidas en matrices de PV1. Los rayos indirectos pueden dañar fácilmente los componentes sensibles dentro del equipo fotovoltaico, que a menudo tiene un alto costo para reparar o reemplazar los componentes dañados y afecta la confiabilidad del sistema fotovoltaico1. La sobretensión depende de las condiciones de configuración de cada sistema fotovoltaico y de las cables.
Los sistemas fotovoltaicos están expuestos en grandes espacios abiertos, típicamente en campos o en la parte superior de los edificios. Las nubes de lluvia cargadas que se acumulan sobre tales campos abiertos tienen la propensión a liberar la carga en forma de rayo. Cuando esto sucede, es probable que ocurra un aumento de voltaje. Cuanto más expansivo sea el campo, más probable es que ocurra la destrucción.
El equipo electrónico puede dañarse fácilmente hasta el punto de falla catastrófica por oleadas. Si se produce un aumento cuando hay un personal presente, también pondrá en peligro su seguridad. Los rayos indirectos pueden ser fatales si la persona está a 60 pies desde el punto del rayo [2]. Cuando un sistema fotovoltaico se encuentra en un sitio industrial, las operaciones y equipos comerciales también están en peligro. Los inversores son caros, pero para las aplicaciones industriales, una falla aún más costosa es el costo del tiempo de inactividad.
Cuando el rayo golpea un sistema solar fotovoltaico, causa una corriente transitoria inducida y un voltaje dentro de los bucles de cable del sistema solar fotovoltaico. Estas corrientes y voltajes transitorios aparecerán en los terminales del equipo y probablemente causen un aislamiento y fallas dieléctricas dentro de los componentes eléctricos y electrónicos solares fotovoltaicos, como los paneles fotovoltaicos, el inversor, el equipo de control y las comunicaciones.2, así como dispositivos en la instalación del edificio3. El cuadro de matriz, el inversor y el dispositivo MPPT (rastreador de punto máximo de potencia) tienen los puntos más altos de falla.
Para evitar que la alta energía pase a través de la electrónica y cause daños por alto en voltaje al sistema fotovoltaico, las oleadas de voltaje deben tener un camino hacia la tierra. Para hacer esto, todas las superficies conductoras deben estar directamente conectadas a tierra y todos los cableados que ingresan y salen del sistema (como cables Ethernet y platos de CA) que se acoplen a tierra a través de un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD).
Se necesita un SPD para cada grupo de las cadenas dentro de la caja de matriz, la caja de recombinantes, así como la desconexión de DC.
Clasificaciones de dispositivos de protección contra sobretensiones
Los SPD brindan protección contra los peligros causados por las oleadas.
UL 1449 [4] Define SPDS de tipo 1, tipo 2 y tipo 3:
Tipo 1:Un puerto, SPDS conectado permanentemente, excepto Watt - hojas de socket del medidor de horas, destinados a la instalación entre la secundaria del transformador de servicio y el lado de línea del dispositivo de aceleración del equipo de servicio, así como el lado de la carga, incluido Watt -} Hour Wocker Enclosures y Spds de caja moldeada con protección externa sin instalar un dispositivo externo. Se puede conectar SPDS tipo 1 para su uso en sistemas fotovoltaicos entre la matriz fotovoltaica y la desconexión del servicio principal.
Tipo 2:SPDS conectado permanentemente destinado a la instalación en el lado de carga del dispositivo de sobrecorriente del equipo de servicio; incluyendo SPDS ubicados en el panel de rama y la caja moldeada SPDS. El valor IMAX es la corriente de descarga única máxima representada por una forma de onda de 8/20 µs que el SPD puede admitir.
Tipo 3:Punto de utilización SPDS, instalado a una longitud mínima del conductor de 10 metros desde el panel de servicio eléctrico hasta el punto de utilización, por ejemplo, conectado el cable, enchufe directo -, tipo de receptáculo y SPDS instalados en el equipo de utilización que se está protegiendo. La distancia (10 metros) es exclusiva de conductores que se proporcionan o se usan para adjuntar SPDS.
Los SPD de tipo 1 protegen contra ataques directos y se caracterizan por una onda de corriente 10/350 µs. Los SPD tipo 1 se utilizan en los inversores centrales.
Los SPD de tipo 2 protegen contra los rayos indirectos, que se caracterizan por formas de onda de 8/20 µs. Una forma de onda de 8/20 µs significa que la huelga tiene un tiempo de aumento de 8 µs y una duración de uno - medio pico de 20 µs. Los SPD de tipo 2 evitan la propagación de sobrevoltaje en instalaciones y equipos eléctricos. También protegen contra el efecto electromagnético de Lightning que propaga un aumento dentro del cable.
Se debe usar un SPD tipo 2 en cada MPPT y dentro de los inversores de cadena y cuadros de matriz.
Las cajas donde ocurren las oleadas generalmente están dañadas por huelgas que son indirectas. No es solo el tipo de material y altura, sino también la forma que afecta la capacidad de un objeto para atraer ataques de rayos. Si la forma de la caja o el material tiene una propensión a atraer ataques con rayos, entonces se debe usar un SPD tipo 1 o una pararrayos.
La altura, las formas puntiagudas y el aislamiento son las características dominantes que determinan dónde golpea el rayo. Es un mito que el metal atrae un rayo. Sin embargo, es importante tener en cuenta que no importa dónde se encuentre la granja fotovoltaica, o la forma de cualquier objeto cercano, los SPD son esenciales para cada sistema fotovoltaico debido a su susceptibilidad inherente a las huelgas directas e indirectas.
Selección e instalación del dispositivo de protección contra sobretensiones para sistemas fotovoltaicos
Los sistemas fotovoltaicos tienen características únicas, que, por lo tanto, requieren el uso de SPDS que están específicamente diseñados para sistemas fotovoltaicos.
Los sistemas fotovoltaicos tienen altos voltajes del sistema de CC de hasta 1500 voltios. Su Power Point máximo funciona a solo unos pocos percentiles debajo de la corriente de cortocircuito del sistema.
Para determinar el módulo SPD adecuado para el sistema fotovoltaico y su instalación, debe saber:
la densidad de flash redonda del rayo;
la temperatura de funcionamiento del sistema;
el voltaje del sistema;
la clasificación de corriente de cortocircuito del sistema;
el nivel de forma de onda que debe protegerse (relámpago indirecto o directo); y
la corriente de alta nominal.
Los requisitos de SPD para una instalación que está protegida por un sistema de protección de rayos externos (LPS) dependen de la clase seleccionada del LPS y si la distancia de separación entre el LPS y la instalación de PV está aislada o no - aislada [4]. IEC 62305-3 detalla los requisitos de distancia de separación para un LPS externo.
Para tener un efecto protector, el nivel de protección de voltaje de un SPD (UP) debe ser un 20 % más bajo que la resistencia dieléctrica del equipo terminal del sistema.
Es importante usar un SPD con una corriente de soporte de cortocircuito mayor que la corriente de cortocircuito de la cadena de matriz solar a la que está conectado el SPD. El SPD que se proporciona en la salida de CC debe tener un DC MCOV igual o mayor que el voltaje máximo del sistema fotovoltaico del panel.
Cuando el rayo ataca en el punto A (ver Figura 1), es probable que el panel fotovoltaico solar y el inversor se dañen. Solo el inversor estará dañado si el rayo ataca en el punto B. Sin embargo, el inversor suele ser el componente más caro dentro de un sistema fotovoltaico, por lo que es esencial seleccionar correctamente e instalar el SPD correcto en las líneas de CA y DC. Cuanto más cerca sea la huelga para el inversor, más dañado será el inversor.
Figura 1.Ubicación del rayo.
SPDS para el lado DC de los sistemas fotovoltaicos
Las fuentes fotovoltaicas tienen características de corriente y voltaje muy diferentes a las fuentes de CC tradicionales: tienen una característica lineal no- y causan larga -} Persistencia del término de los arcos encendidos. Por lo tanto, las fuentes de corriente fotovoltaica no solo requieren interruptores fotovoltaicos más grandes y fusibles fotovoltaicos, sino también un desconcertado para el dispositivo protector de sobretensión que se adapta a esta naturaleza única y es capaz de hacer frente a las corrientes fotovoltaicas.
Los SPD instalados en el lado de DC siempre deben diseñarse específicamente para aplicaciones DC. El uso de un SPD en el lado incorrecto de CA o DC es peligroso en condiciones de falla.
Cuando se usan SPDS en el lado de DC, también deben usarse en el lado de CA debido a las posibles diferencias.
SPDS para el lado de CA
La protección contra el aumento es tan importante para el lado de CA como lo es para el lado de DC. Asegúrese de que el SPD esté diseñado específicamente para el lado de CA.
Para una protección óptima, el SPD debe tener un tamaño específicamente para el sistema. La selección adecuada garantizará la mejor protección con la vida útil más larga.
En el lado de CA, se pueden conectar múltiples inversores al mismo SPD si comparten la misma conexión de la cuadrícula.
Instalación
SPDS siempre debe instalarse aguas arriba de los dispositivos que van a proteger. NFPA 780 12.4.2.1 dice que se proporcionará protección contra sobretensiones en la salida de CC del panel solar de positivo a tierra y negativo a tierra, en la caja de combinador y recombinador para múltiples paneles solares, y en la salida de CA del inversor.
La instalación adecuada de un SPD se basa en tres valores, que son:
Voltaje de funcionamiento continuo máximo: el voltaje que activará el SPD.
Nivel de protección de voltaje: la categoría de sobretensión del equipo debe ser más alta que el nivel de protección de voltaje del SPD.
Corriente de descarga nominal: el valor máximo de la forma de onda (8/20 µs para SPDS tipo 2) que el SPD es capaz de resistir después de las oleadas repetitivas.
Cables
Los cables en los sistemas fotovoltaicos a menudo se extienden a través de largas distancias para que puedan alcanzar el punto de conexión de la cuadrícula. Sin embargo, nunca se recomiendan largas longitudes de cable, y los sistemas fotovoltaicos están lejos de ser una excepción.
Esto se debe a que el efecto de la interferencia eléctrica basada en el campo - y realizada por las descargas de rayos causados en relación con el aumento de las longitudes de los cables y los bucles de los conductores. Cuando se produce una sobretensión transitoria, cualquier caída de voltaje inductivo en los cables de conexión puede debilitar el efecto protector del SPD. Es menos probable que esto suceda si los cables se enrutan para ser lo más corto posible.
El voltaje de sobretensión es un contribuyente significativo a la falla del cable, y cada impulso en un cable contribuirá al deterioro de la intensidad del aislamiento del cable.
Si se inyecta un aumento en un stand - solo sistema fotovoltaico (un sistema que está lejos de la cuadrícula de energía), puede alterarse cualquier operación de equipo que funcione con electricidad solar, como equipos médicos o suministro de agua.
La ubicación y la cantidad de SPDS para instalar en el lado de DC dependen de la longitud del cable entre los paneles solares y el inversor (ver Tabla 1). Si la longitud es de menos de 10 metros, solo es necesario un SPD y el SPD debe instalarse dentro de la misma vecindad que el inversor. Si la longitud del cable es de más de 10 metros, instale un SPD dentro de la vecindad del inversor, así como un segundo SPD en la caja que está cerca del panel solar.
Los cables de ruta de tal manera que evite los bucles de conductores grandes. Las líneas de CA y DC y las líneas de datos deben enrutarse junto con los conductores de unión equipotencial a lo largo de toda la ruta para garantizar que los bucles de conductores no se formen de ser enrutados en varias cadenas o al conectar el inversor a la conexión de la cuadrícula.
Tabla 1.Selección de SPD.
Cómo combinar SPD con inversores
Las granjas fotovoltaicas se componen de equipos muy sensibles que necesitan protección expansiva. Debido a que las granjas fotovoltaicas crean potencia de corriente continua (DC), los inversores (que son necesarios para convertir esta potencia de DC a AC) son un componente esencial para su producción eléctrica. Desafortunadamente, los inversores no solo son altamente susceptibles a los rayos, sino que son increíblemente caros.
NFPA 780,Estándar para la instalación de los sistemas de protección de rayos, en 12.4.2.3 requiere SPDS adicional en la entrada de CC del inversor si el inversor del sistema está a más de 30 metros de la caja de combinador o recombinador más cercano.
Instale el SPD entre los fusibles y el inversor si hay protectores de cadena (como fusibles, interruptores de CC o diodos de cadena) [ver Figura 2].
Figura 2.SPD conectado correctamente e incorrectamente al inversor con protectores de cadena.
Para conectar un SPD cuando hay un inversor con un cuadro de fusible integrado, asegúrese de que los fusibles internos se eviten y que los fusibles de cadena externos estén conectados (ver Figura 3). El SPDS debe estar montado fuera del inversor y en un tipo NEMA - 3 r reclutador o superior si es una aplicación al aire libre.
Los inversores de cadena deben instalarse lo más cerca posible de las cadenas. Los cables SPD que se conectan a la red L+/L -, y entre el bloque terminal del SPD y la barra colectora de tierra, deben ser inferiores a 2.5 metros. Cuanto más corto sea los cables de conexión, más eficiente y costo - efectiva será la protección.
Para los inversores con solo un rastreador MPP, combine la cadena antes del inversor y conéctelos al SPD en el punto de interconexión.
Se deben planificar combinaciones de SPD para cada entrada cuando el inversor tiene múltiples rastreadores MPP. Se debe usar un SPD para cada entrada que se fusione con un diodo de cadena.
Figura 3.SPD conectado al inversor con caja de fusibles integrada
Conclusión
Operar el equipo fotovoltaico sin una protección de sobretensión adecuada es más que negocios arriesgados - Es imprudente.
Para que los sistemas solares sean el futuro de un mundo más verde, deben estar protegidos. La aparición de rayos es imparable y, por lo tanto, la protección es esencial.
La vulnerabilidad de los sistemas fotovoltaicos a los ataques de rayos - directo e indirecto - significa que deben construirse con protección contra sobretensiones confiable y adecuadamente instalada.