IEC 61643-31: Requisitos para DPS en sistemas fotovoltaicos de CC

Los dispositivos de protección contra sobretensiones destinados al lado de corriente continua de los sistemas fotovoltaicos se evalúan conforme a un conjunto específico de requisitos. En muchos mercados, el documento de referencia para esta aplicación es la IEC 61643-31, que trata los dispositivos de protección contra sobretensiones de baja tensión para instalaciones fotovoltaicas. Para compradores y prescriptores, comprender lo que exige esta norma para SPD de corriente continua permite comparar productos de forma más coherente y evitar configuraciones que no se ajusten a la aplicación prevista. Este artículo repasa los principales parámetros de ensayo definidos en la IEC 61643-31, los compara con la IEC 61643-11 orientada a corriente alterna y presenta verificaciones prácticas para evaluar un protector contra sobretensiones para sistemas fotovoltaicos.

1. Qué cubre la IEC 61643-31

La IEC 61643-31 especifica los requisitos de rendimiento y ensayo para los SPD conectados al lado de CC de los sistemas de alimentación fotovoltaicos. Forma parte de la serie IEC 61643: la Parte 11 cubre los SPD conectados a sistemas eléctricos de baja tensión en CA, mientras que la Parte 31 cubre los SPD para circuitos fotovoltaicos de CC. Esta separación refleja el distinto comportamiento eléctrico de los circuitos de CC, especialmente la ausencia de un cruce natural por cero de la corriente, que influye en la forma en que un SPD de CC interrumpe la corriente subsiguiente después de una sobretensión.

Por este motivo, un SPD fotovoltaico de CC (PV DC SPD) no es simplemente un dispositivo de CA reetiquetado para uso solar; su construcción y su base de ensayo están contempladas por la norma específica para SPD de CC. La norma se aplica a dispositivos destinados a limitar sobretensiones transitorias y derivar corrientes de impulso en el lado de las cadenas y del campo fotovoltaico, normalmente entre los módulos, las cajas combinadoras y la entrada de CC del inversor. Muchos fabricantes, incluido Cresin, ofrecen una gama específica de SPD para sistemas solares fotovoltaicos declarada conforme con la IEC 61643-31 para el lado de CC y con la IEC 61643-11 para el lado de CA.

2. Parámetros de ensayo clave: Uc, In, Imax, Up, TOV

2.1 Uc — tensión máxima de funcionamiento continuo

La tensión máxima de funcionamiento continuo, Uces la tensión de CC más alta que el SPD PV DC puede soportar de forma continua sin entrar en conducción. La IEC 61643-31 exige que la Uc declarada esté marcada y verificada. En aplicaciones fotovoltaicas, la selección de Uc depende de la tensión de circuito abierto del campo, que puede aumentar a bajas temperaturas debido al coeficiente de temperatura negativo de los módulos de silicio cristalino (habitualmente cercano a −0,3 %/°C). Por ello, seleccionar Uc con margen suficiente frente a este efecto es una práctica habitual al especificar un SPD PV DC.

Por tanto, un dispositivo para un sistema de 1500 V suele declararse con una Uc superior a la tensión máxima de funcionamiento prevista. Por ejemplo, es habitual utilizar una Uc de 1800 V CC cuando la Voc del campo puede acercarse o superar los 1500 V en condiciones de baja temperatura. Seleccionar una Uc con margen suficiente es un punto básico en la especificación de un SPD PV DC y una de las primeras comprobaciones que debería realizar el comprador frente a la tensión máxima del campo en el peor caso del proyecto.

2.2 In — corriente nominal de descarga

La corriente nominal de descarga, Ines el valor de cresta de una corriente de impulso 8/20 µs que el SPD puede soportar un número definido de veces (normalmente 15 impulsos positivos y 15 negativos) sin fallar. Representa la capacidad nominal de descarga ante exposiciones repetidas a sobretensiones. La IEC 61643-31 exige declarar y ensayar In. Para un SPD PV DC como el CSMS-B40un valor declarado típico es In = 20 kA (8/20 µs).

In se utiliza con frecuencia como base para comparar dispositivos de aplicaciones similares, aunque debe evaluarse junto con Imax y Up, no de forma aislada.

2.3 Imax — corriente máxima de descarga

La corriente máxima de descarga, Imaxes el valor de cresta de la corriente de impulso 8/20 µs que el SPD puede soportar una vez sin destruirse. Generalmente es superior a In e indica el nivel máximo de impulso que el dispositivo puede soportar en un evento único. En SPD fotovoltaicos de CC son habituales valores Imax como 40 kA. La relación y la diferencia entre In e Imax, junto con la tensión residual a cada nivel, aportan información sobre el margen del dispositivo ante eventos severos pero no repetitivos.

2.4 Up — nivel de protección de tensión

El nivel de protección de tensión, Upes la tensión máxima que aparece entre los terminales del SPD bajo una corriente de descarga especificada. La IEC 61643-31 exige declarar Up; valores más bajos suelen indicar que se transmite una sobretensión menor al equipo protegido. Para una coordinación eficaz, Up debe compararse con la capacidad de soportar impulsos de los componentes aguas abajo.

El Up de un SPD PV DC suele evaluarse a In, y los fabricantes también pueden proporcionar valores a Imax. Al revisar un protector contra sobretensiones fotovoltaico, comparar Up con la misma corriente de referencia ofrece una visión más coherente que comparar únicamente cifras destacadas. Esto es especialmente importante cuando el lado de CC alimenta electrónica sensible del inversor.

2.5 TOV — resistencia a sobretensiones temporales

Una sobretensión temporal (TOV) es una sobretensión a frecuencia de red que puede durar más que una sobretensión transitoria, por ejemplo debido a un fallo en un circuito adyacente o a un desplazamiento del neutro. La IEC 61643-31 incluye requisitos de resistencia frente a TOV, según los cuales el SPD debe soportar la TOV sin daños o desconectarse de forma segura. Para los SPD fotovoltaicos de CC, las condiciones TOV se definen tanto para configuraciones línea-línea como línea-tierra.

Un dispositivo que no gestione adecuadamente una TOV puede quedar en un estado de conducción sostenida. Por ello, la norma trata este aspecto por separado de los ensayos de corriente de impulso. Al revisar la declaración de un SPD de CC, el comprador debería confirmar que se indiquen las condiciones y los resultados de los ensayos TOV.

2.6 Iimp — evaluación de dispositivos combinados

Algunos SPD PV DC se clasifican como dispositivos combinados Tipo 1+2, lo que significa que se ensayan tanto con corriente de impulso 10/350 µs (Iimp, asociada a corriente directa de rayo) como con corriente nominal 8/20 µs (In/Imax). La IEC 61643-31 contempla estos dispositivos combinados en el contexto PV DC. Un SPD PV DC dispone tanto de una clasificación Iimp como de valores In/Imax, lo que permite que una sola unidad gestione tanto una parte de la corriente de rayo en el origen de la instalación como las sobretensiones inducidas aguas abajo.

3. IEC 61643-31 vs IEC 61643-11: tabla comparativa

La tabla siguiente resume las principales diferencias que puede encontrar un comprador al comparar un dispositivo del lado de CC evaluado según la IEC 61643-31 con un dispositivo del lado de CA evaluado según la IEC 61643-11. Ambas normas se aplican a tipos de circuito distintos y un sistema fotovoltaico suele utilizar las dos: una protección en el lado de CC y otra en la salida de CA del inversor.

4. Por qué las dos normas difieren en la práctica

Más allá de la lista de parámetros, la diferencia práctica está en el tipo de circuito que aborda cada norma. La IEC 61643-11 utiliza métodos de ensayo de CA para distribución de baja tensión, mientras que la IEC 61643-31 utiliza configuraciones específicas de CC que reflejan la ausencia de cruce por cero y las tensiones más altas de las cadenas fotovoltaicas. Un SPD PV DC se ensaya para la interrupción del arco de CC; un SPD de CA se beneficia de los cruces naturales por cero.

En consecuencia, un dispositivo certificado únicamente según la IEC 61643-11 no queda confirmado, solo por esa certificación, como adecuado para el lado PV DC. Una especificación que simplemente pida «un SPD conforme a IEC 61643» sin indicar la parte aplicable puede dejar esta diferencia sin resolver. Por ello, conviene indicar expresamente en la documentación de compra si corresponde IEC 61643-31 o IEC 61643-11.

5. Cómo pueden verificar la conformidad los compradores

Antes de cerrar una especificación, suelen realizarse varias comprobaciones:

• Confirme que el certificado haga referencia a IEC 61643-31 (y no únicamente a IEC 61643-11) para los modelos del lado de CC.
• Compare la Uc declarada con la Voc máxima del campo en el peor caso, teniendo en cuenta las bajas temperaturas.
• Verifique que In, Imax, Up y TOV estén todos declarados y sean coherentes con el informe de ensayo.
• Compruebe que la referencia certificada coincida con el producto ofertado, incluida la clase de tensión y la configuración de polos.
• Solicite el informe de ensayo de un laboratorio acreditado cuando el volumen de compra o el riesgo del proyecto lo justifiquen.
• Revise también las marcas o certificaciones adicionales, como TÜV o CB, que pueda exigir el mercado de destino.

En proyectos que requieran una selección coordinada de protecciones en CC y CA, el equipo técnico de Cresin puede revisar la tensión del campo, la interfaz del inversor y el esquema de puesta a tierra. Puede contactarnos para analizar una instalación concreta.

6. Problemas de conformidad habituales que conviene revisar

En el mercado se encuentran a veces SPD de CC ofertados únicamente con referencia a IEC 61643-11, valores Uc seleccionados sin margen de temperatura o valores Up indicados sin corriente de referencia. Estas carencias pueden no ser evidentes en una ficha técnica breve, por lo que conviene revisar la declaración completa y el certificado antes de especificar el producto. La configuración de polos es otro punto recurrente: un dispositivo declarado para una topología de CC determinada debe corresponder con el cableado de la planta, verificado mediante el diagrama unifilar.

7. Preguntas frecuentes

8. Resumen

La IEC 61643-31 establece el marco de ensayo para los dispositivos de protección contra sobretensiones del lado de CC de los sistemas fotovoltaicos. Uc, In, Imax, Up y TOV son los parámetros más relevantes para la especificación. Su base de ensayo específica para CC la diferencia de la IEC 61643-11, que se aplica al lado de CA. Al confirmar la parte correcta de la norma y revisar todos los parámetros declarados, los compradores pueden seleccionar un SPD fotovoltaico de CC (PV DC SPD) más adecuado para las exigencias de protección contra sobretensiones en instalaciones solares de su instalación.