SPD fotovoltaico de CA y CC: guía de selección

• Por qué la protección contra sobretensiones fotovoltaicas abarca dos normas
• Arquitectura de un sistema fotovoltaico: dónde se instalan los SPD
• Protección del lado de CC: requisitos de IEC 61643-31
• Protección del lado de CA: requisitos de IEC 61643-11
• Tabla comparativa de parámetros de SPD fotovoltaicos de CA y CC
• Niveles de tensión: evolución de 600 V a 1500 V CC
• Principios de configuración para sistemas fotovoltaicos
• Aspectos que deben revisarse durante la selección
• Preguntas frecuentes
• Resumen

Los sistemas fotovoltaicos están expuestos a sobretensiones tanto en el lado de CC, entre los paneles solares y el inversor, como en el lado de CA, entre el inversor y la red. Ambos lados están regulados por normas IEC distintas, funcionan con niveles de tensión diferentes y requieren configuraciones específicas de SPD. Esta guía explica las diferencias y ayuda a los ingenieros a seleccionar sistemáticamente los protectores contra sobretensiones para instalaciones fotovoltaicas.

Por qué la protección contra sobretensiones fotovoltaicas abarca dos normas

Una instalación fotovoltaica no constituye un único entorno eléctrico. El lado de CC, que transporta la energía desde los paneles hasta el inversor, funciona con corriente continua a tensiones que pueden alcanzar 1500 V CC en plantas de gran escala. El lado de CA, que lleva la salida del inversor a la red o a las cargas locales, funciona con corriente alterna en niveles habituales de baja tensión. Los SPD instalados en ambos lados soportan esfuerzos eléctricos diferentes y se evalúan conforme a normas IEC distintas. Por ello, la protección contra sobretensiones de CA y CC en sistemas fotovoltaicos debe diseñarse como una estrategia de dos partes.

Por este motivo, la protección contra sobretensiones solares suele dividirse en dos partes: SPD del lado de CC ensayados conforme a IEC 61643-31 (norma para SPD en instalaciones fotovoltaicas) y SPD del lado de CA ensayados conforme a IEC 61643-11 (norma para SPD de alimentación de CA de baja tensión). Comprender las diferencias entre ambas normas en cuanto a métodos de ensayo, clasificación de tensión y principios de configuración permite especificar dispositivos adecuados para cada lado del sistema. La gama de SPD para sistemas solares fotovoltaicos de Cresin incluye dispositivos del lado de CC y del lado de CA diseñados de acuerdo con las normas correspondientes.

Arquitectura de un sistema fotovoltaico: dónde se instalan los SPD

En un sistema fotovoltaico conectado a red, la protección contra sobretensiones se instala en varios puntos clave. En el lado de CC, los SPD se colocan lo más cerca posible de la entrada de CC del inversor, entre la cadena o el campo fotovoltaico y el inversor, para limitar las sobretensiones que llegan por los cables de CC, a menudo tendidos a largas distancias sobre cubiertas o terrenos abiertos. En el lado de CA, los SPD se instalan en la salida de CA del inversor o en el cuadro de distribución de CA, donde protegen frente a sobretensiones procedentes de la red y transitorios de maniobra de la red alterna.

Esta diferencia es importante porque los circuitos de CC y CA se comportan de forma distinta durante una sobretensión. Los circuitos de CC no tienen un paso natural de corriente por cero, lo que dificulta la extinción del arco en los SPD de CC. En los circuitos de CA, los cruces periódicos por cero ayudan a extinguir la corriente de seguimiento. Estas características influyen en el diseño interno de los componentes y en los requisitos de ensayo de cada norma. Por eso, la selección de SPD fotovoltaicos de CA y CC debe abordarse como dos decisiones independientes.

Protección del lado de CC: requisitos de IEC 61643-31

IEC 61643-31 es la norma internacional dedicada específicamente a los protectores contra sobretensiones conectados a circuitos fotovoltaicos de corriente continua. Define las clases de ensayo, las tensiones asignadas y los requisitos de rendimiento teniendo en cuenta la continuidad de la corriente de CC y las características de tensión propias de los campos fotovoltaicos.

Un aspecto esencial en el lado de CC es la selección de la tensión máxima de funcionamiento continuo Uc. La Uc de un SPD fotovoltaico de CC debe ser superior a la tensión máxima en circuito abierto Voc del campo PV a la temperatura mínima de funcionamiento prevista, porque la tensión del campo aumenta cuando baja la temperatura. Por ejemplo, una cadena con una Voc nominal de 1000 V en condiciones estándar de ensayo a 25 °C puede alcanzar una tensión considerablemente superior a −10 °C. Si la Uc no contempla este coeficiente de temperatura, pueden producirse conducciones no deseadas o un envejecimiento acelerado del SPD.

Los SPD fotovoltaicos de CC de la gama Cresin cubren valores Uc de 670 V CC a 1800 V CC, correspondientes a sistemas de 600 V, 1000 V, 1200 V y 1500 V CC. Estos dispositivos se ensayan según IEC 61643-31 y ofrecen una corriente nominal de descarga In de 20 kA y una corriente máxima de descarga Imax de 40 kA. La topología de conexión, entre los polos positivo y negativo (PV+ a PV−) o entre cada polo y tierra (PV+ a PE y PV− a PE), depende del esquema de puesta a tierra y del diseño de aislamiento del inversor.

Protección del lado de CA: requisitos de IEC 61643-11

En el lado de CA de un sistema fotovoltaico, la protección se realiza mediante SPD de alimentación de CA ensayados según IEC 61643-11, la misma norma aplicada a las redes convencionales de distribución de baja tensión. Este lado suele incluir la salida de conexión a red del inversor, el cuadro de distribución de CA y la conexión a la red pública o a las cargas locales.

Para la mayoría de los sistemas fotovoltaicos residenciales y comerciales conectados a una red de 230/400 V, suele seleccionarse un SPD de CA Tipo 2 con Uc de 275 V o 385 V. En instalaciones comerciales de mayor tamaño o plantas conectadas a redes de 690 V CA o superiores, se utilizan dispositivos con valores Uc más altos. La gama de SPD fotovoltaicos de CA de Cresin cubre valores Uc de 385 V CA a 1500 V CA, con valores In de 20 kA a 60 kA e Imax de 40 kA a 100 kA para diferentes configuraciones de salida del inversor.

La selección de Tipo 1 o Tipo 2 en el lado de CA sigue los mismos principios que en cualquier instalación de baja tensión: el Tipo 1, ensayado con una corriente impulsional de 10/350 µs, suele considerarse cuando el edificio dispone de un sistema externo de protección contra el rayo; el Tipo 2, ensayado con corriente de 8/20 µs, limita los efectos indirectos del rayo y las sobretensiones de maniobra. Puede encontrar más información en el artículo SPD de CA Tipo 1 frente a Tipo 2.

Tabla comparativa de parámetros de SPD fotovoltaicos de CA y CC

La siguiente tabla compara los parámetros principales y los requisitos normativos de los SPD fotovoltaicos del lado de CC y del lado de CA, y sirve como referencia para seleccionar el dispositivo adecuado en cada parte del sistema.

Niveles de tensión: evolución de 600 V a 1500 V CC

La tensión continua de los sistemas fotovoltaicos ha aumentado durante la última década para reducir las pérdidas en los conductores y mejorar la eficiencia de las instalaciones de mayor tamaño. Conocer el nivel de tensión del sistema es el punto de partida para seleccionar el SPD fotovoltaico de CCadecuado.

Sistemas de 600 V CC eran habituales en instalaciones residenciales antiguas y pequeños proyectos comerciales. A este nivel suele seleccionarse un SPD fotovoltaico de CC con Uc próxima a 670 V CC, que proporciona margen sobre la Voc del campo a baja temperatura sin superar la capacidad de funcionamiento continuo del dispositivo.

Sistemas de 1000 V CC se utilizan ampliamente en instalaciones fotovoltaicas comerciales e industriales. Para estos sistemas suele especificarse una Uc de 1200 V CC o superior, según el coeficiente de temperatura de los módulos y la temperatura mínima prevista en el emplazamiento.

Sistemas de 1500 V CC son actualmente la referencia en plantas fotovoltaicas de gran escala, donde una tensión de CC más alta reduce el número de cadenas en paralelo y los costes del balance del sistema. En 1500 V CC, la Uc del SPD suele seleccionarse en 1800 V CC o más para admitir el aumento de Voc causado por las bajas temperaturas. Los SPD fotovoltaicos de 1500 V de Cresin están diseñados y ensayados según IEC 61643-31 para estas aplicaciones de alta tensión.

Nota: la selección de Uc debe tener en cuenta el coeficiente de temperatura del módulo PV, normalmente alrededor de −0,3 %/°C en módulos de silicio cristalino. A −10 °C, un campo asignado a 1500 V puede producir una Voc cercana o superior a 1800 V; por ello, en estos sistemas suelen utilizarse SPD con Uc de 1800 V CC.

Principios de configuración para sistemas fotovoltaicos

Al configurar la protección contra sobretensiones de un sistema fotovoltaico, suelen seguirse varios principios para abordar los diferentes entornos de sobretensión de los lados de CA y CC:

Configuración del lado de CC. El SPD fotovoltaico de CC se instala lo más cerca posible de la entrada de CC del inversor, utilizando conductores de conexión cortos para reducir la tensión inductiva adicional durante una sobretensión. La topología de conexión, PV+ a PV− o PV+/PV− a PE, depende del esquema de puesta a tierra. En sistemas no puestos a tierra o flotantes, habituales con inversores sin transformador, los SPD se conectan normalmente entre cada polo y una tierra funcional. En sistemas puestos a tierra, la topología sigue la ubicación del punto de puesta a tierra.

Configuración del lado de CA. El SPD de CA se instala en la salida de CA del inversor o en el cuadro de distribución que alimenta la conexión a red. La elección entre Tipo 1 y Tipo 2 se basa en los mismos criterios que en una instalación convencional de CA, especialmente la presencia de un sistema externo de protección contra el rayo y los resultados de la evaluación de riesgos.

Coordinación entre los lados de CC y CA. Los SPD del lado de CC y del lado de CA protegen frente a vías de entrada de sobretensión diferentes y normalmente no requieren coordinación energética entre sí, porque están separados por el aislamiento interno del inversor. Sin embargo, cada lado puede beneficiarse de una coordinación escalonada dentro de su propio dominio; por ejemplo, un SPD de CC en la caja combinadora y otro en la entrada de CC del inversor cuando los tendidos de cable son largos.

En proyectos cuya configuración fotovoltaica, esquema de puesta a tierra o nivel de tensión requiera un enfoque específico, el equipo técnico de Cresin puede ofrecer asistencia. Puede contactarnos para recibir una recomendación adaptada al proyecto o consultar la página Soluciones de protección contra sobretensiones para sistemas solares fotovoltaicos para ver configuraciones de referencia.

Aspectos que deben revisarse durante la selección

Al evaluar SPD para un proyecto solar, conviene revisar los siguientes aspectos:

• Uc frente a Voc a la temperatura mínima. La Uc del lado de CC debe considerar la tensión en circuito abierto del campo PV a la temperatura mínima de funcionamiento prevista, y no únicamente la Voc asignada en condiciones estándar de ensayo. Ignorar este coeficiente de temperatura puede llevar a seleccionar un SPD con Uc insuficiente.
• Verificación del cumplimiento normativo. Confirme que los SPD del lado de CC estén ensayados según IEC 61643-31 y no solamente según IEC 61643-11, ya que los métodos de ensayo y los requisitos para corriente continua son distintos. Un SPD marcado para CC pero ensayado únicamente con una norma de CA puede no ofrecer la protección prevista en un circuito fotovoltaico de CC.
• Topología de conexión y puesta a tierra. La topología del SPD, entre polos o entre polo y tierra, debe coincidir con el esquema de puesta a tierra del sistema. Una topología incorrecta puede dejar sin protección determinadas vías de sobretensión.
• Protección de respaldo. Los SPD fotovoltaicos de CC necesitan una protección aguas arriba contra sobrecorriente capaz de interrumpir corriente de defecto continua. Los fusibles y disyuntores estándar de CA pueden no ser adecuados para circuitos de CC. Consulte la página SPD especializados y accesorios para conocer opciones de desconectores de respaldo específicos.

Resumen

La protección contra sobretensiones solares comprende dos estrategias distintas regidas por dos normas diferentes. Los SPD fotovoltaicos del lado de CC ensayados según IEC 61643-31 responden a la corriente continua y a las variaciones de tensión dependientes de la temperatura de los circuitos PV. Los SPD del lado de CA ensayados según IEC 61643-11 limitan las sobretensiones convencionales de la red en la salida del inversor. La selección de Uc, In, Imax y de la topología de conexión debe considerar el nivel de tensión del sistema, 600 V, 1000 V o 1500 V CC, el esquema de puesta a tierra y la temperatura mínima prevista en el emplazamiento.

Al evaluar por separado los lados de CC y CA, cada uno conforme a su norma y entorno eléctrico, los ingenieros pueden configurar una protección fotovoltaica coherente con IEC 61643-31 e IEC 61643-11 y adaptada a las amenazas específicas presentes en cada lado del sistema.