CursoEnergía SolarFotovoltaica

“ProtecciónySeguridad”

• ProteccionesFundamentales• ProteccionesenelgeneradorFV• ProteccionesenInversor• ProteccionesenladoCA• NormasyregulacionesparasistemasFV

Temario

ProteccionesFundamentales

§ Protección enelGeneradorFV

§ ProtecciónenelInversor

§ ProtecciónenelladoCA

ProteccionesenelGeneradorFVPueden ser del tipo preventivo para eliminar las posibles causas de falla; opueden estar diseñadas para detectar y eliminar fallas en caso de que lascausas sean difíciles de eliminar, por ejemplo: descargas atmosféricas.

Características particulares de los Generadores FV• Se comportan como fuentes de corriente en situaciones de falla. La Isc es

apenas ligeramente superior a la Imax.pot.• Vcc está presente aún cuando el generador está desconectado. No se

pueden interrumpir fácilmente corrientes de fuga (debido a fallas odefectos) durante el día.

• Vcc.max es alcanzado con niveles bajos de insolación. Existe el riesgo dedescargas eléctricas con bajos niveles de radiación.

• Pueden mantener arcos eléctricos por tiempo prolongado en caso defallas de aislammiento. (Causas de incendios en FV).

• Al estar expuestos al medio ambiente (humedad, esfuerzos por cargas deviento, vibración, dilataciones y contracciones terminas, etc) agrava laposibilidad de fallas en el aislamiento o falsos contactos.

ProteccionesenelGeneradorFVTiposdefallasengeneradoresFV

TiposdeFalla Causas Consecuencias

FallaaTierraDeteriorodeaislamiento (rayosUV,humedad,calor,sobretensiones,envejecimiento,químicos),dañoalinstalar, malainstalación.Cablesueltoencajadeconexiones,abrasión,roedores,etc.

Posibles:DescargasEléctricas,arcos,fuego,corriente inversaenmódulos,sobrecorrientes ypérdidadepotencia.

CortocircuitoPérdida depotencia,posiblesarcosyfuego,porconsiguiente,dañoalsistemadeCC.

Circuito abiertoMalainstalación, componentesinadecuados,fatigaporciclostérmicosovibración.

Pérdida depotencia,posiblesarcosEléctricos yfuego

Sobretensión inducida Descargas atmosféricasPosiblesdañosacomponentes,particularmente aEquiposElectrónicos.

Sobretensión Directa Descargasatmosféricas directas Dañosalgeneradoryequiposelectrónicos

Sombreado Suras,aves,localizacióninapropiada

Generación depuntoscalientesyposible destruccióndelmódulo

ProteccionesenelGeneradorFVDiodos deBloqueo

Función:• Protegeralosmódulosvscorriente inversaencoasdefallaatierraenelgeneradorFV• Protegerelcableado deCCcontrasobrecorriente

FallaatierraenungeneradorFVaterrizado,sindiodosdebloqueo:a)Diagramadelgenerador,b)PotenciadisipadaenelmóduloX.

ProteccionesenelGeneradorFVDiodos depaso (Bypass)

Función:• Proteger a los módulos FV de posibles “puntos calientes” debido a efectos de “sombreado” por

basuras, aves, celdas dañadas o defectuosas (cell mismatch). Se usan uno o dos por cada módulodependiendo de su capacidad

Dispositivos deSobrecorrienteFunción:• ProtegerelgeneradorFVcontrasobrecorrientes.

§ Interruptorestermomagnéticos :Ademásdeprotegerelcircuitoproveenlosmediosdedesconexión.

§ Dispositivosdedesconexiónconportafusibles integrados.

Requerimientos:§ DebenestarespecificadosparausoencircuitoenCC.§ Sucalibraciónnominaldebeserentre125%y150%deIsc.§ Capacidaddetensiónapropiada.§ Preferentementeempleardispositivosconretrasodetiempoparaevitardesconexionespor

sobrecorrientes transitorias.§ Capacidaddeinterrupciónadecuada.Fusibles en los circuitos serie : Son una protección de respaldo contra fallas a tierra en caso de que algún diodo debloqueo esté en cortocircuito. Siempre es conveniente instalar fusibles en cada rama sin importar el número de ellas enparalelo

ProteccionesenelGeneradorFVLocalización defusiblesyDiodos debloqueo

ProteccionesenelGeneradorFVPuestaatierradelosequipos

Función:• Permite proteger a las personas y a los equipos contra fallas de aislamiento (contacto indirecto)

Todas las partes metálicas del sistema que no forman parte de los circuitos eléctricos (gabinetes,estructuras, etc) deben estar sólidamente conectadas a tierra, formando una malla equipotencial. Elsistemade tierras de los equipos debe ser el mismo que el sistemade CC, si este último esta aterrizado.

ProteccionesenelGeneradorFVPuestaatierradelSistema

Función:• Reducir el daño a equipos por tensiones inducidas.• Estabilizar la tensión del sistema• Facilitar la detección y eliminación de las corrientes de falla• Reducir los efectos de la IEM.

La puesta a tierra del sistema CC es un tema controversial, la mayoría de las normas y los códigoseléctricos permiten ambos modos de operación del sistema FV (Flotante y aterrizado), siempre y cuandoel nivel de protección sea el mismo.

En EE.UU la mayoría de los sistemas son aterrizados, mientras que en Europa la mayoría son flotantes.

Configuraciones básicas posibles:• Sistema sin aterrizar (Equipos y sistema eléctrico sin conexión a tierra)• Sistemas con equipos a tierra (Sistema Eléctrico sin aterrizar)• Sistemas aterrizados (Equipos y Sistema Eléctrico conectado a tierra)

ProteccionesenelGeneradorFVDeteccióndefallasenelarreglo

Un mecanismo de falla en un arreglo FV es la evolución de corrientes de fuga (que no puede disparar unfusible) debidas a mala instalación o defectos de aislamiento hasta llegar al nivel de falla. El proceso deformación de un arco eléctrico puede tomar años.

Los cortocircuitos son detectables por el control del inversor, a través del monitoreo de la tensión o por lapérdida total o parcial de potencia de manera instantánea.

§ Se pueden usar detectores de falla a tierra en sistemas aterrizados y flotantes§ En sistemas aterrizados las corrientes de falla son grandes, permitiendo fácilmente la detección§ En sistemas flotantes la sensibilidad del equipo debe ser mayor. El límite de sensibilidad está dado por

el nivel de corriente de fuga del arreglo en condiciones húmedas.

ProteccionesenelGeneradorFVSeguridad delaspersonas

Las descargas eléctricas pueden provocar movimientos involuntarios que pueden producir caídas y otraslesionesSistemas Flotantes:

• Teóricamente no existe el riesgo de descarga eléctrica si se toca uno de los conductores y tierra puestoque no existe un camino para la corriente.

• Sin embargo, normalmente existen caminos de fuga que tienen el efecto de formar una conexiónresistiva entre el generador y tierra. Este camino resistivo puede causar descargas eléctricas alpersonal de mantenimiento.

• Asimismo, existen capacitancias parásitas entre generador y tierra que pueden provocar una descargacapacitiva aún cuando no existan fugas a tierra.

• El uso de sistemas flotantes y equipo con aislamiento clase II reduce considerablemente los riesgosasociados con corrientes de fuga y capacitacias, haciéndolos bastante seguros.

Sistemas Aterrizados:

• Representan mayores riesgos al personal de servicio porque alrededor del arreglo hay gran cantidadde partes metálicas con las que se puede cerrar el circuito y producir una descarga eléctrica.

• Una solución es el uso de gabinetes y estructuras no conductoras en la medida de lo posible.

ProteccionesenelGeneradorFVSeguridad contraincendio

El riego de incendios deriva de la posibilidad de que se produzcan arcos eléctricos. El proceso deformación de un arco eléctrico en un arreglo FV está relacionado con las corrientes de fuga.

ü Los sistemas de detección de falla deben deshabilitar el generador e interrumpir el camino de lacorriente para evitar la formación del arco eléctrico.

ü Un cortocircuito tiene las mismas probabilidades de producir un arco en sistemas aislados oaterrizados.

Sistemas Flotantes:

• Se deben presentar dos fallas a tierra para que exista la posibilidad de formación de una arco eléctrico.• La corriente total de fuga a tierra en el sistema no debe ser excesiva porque ello dificulta la detección

de la falla.• La deshabilitación del generador FV se puede lograr cortocircuitando sus terminales.

Sistemas Aterrizados:

• Presentan mayores riesgos de incendio porque una sola falla a tierra puede provocar un arco eléctrico.• Para interrumpir la corriente de falla se debe desconectar la tierra del sistema y cortocircuitar las

terminales del arreglo para deshabilitarlo.• Otra manera de interrumpir la corriente de falla es abriendo el circuito defectuoso. Ello requiere de la

localización precisa de la falla.

ProteccionesenelGeneradorFVConclusiones

La selección de las condiciones de puesta a tierra depende de los parámetros eléctricos del sistema(tensión y potencia) y de la filosofía de los sistemas de protección.

ü Los sistemas aterrizados confieren mayor protección a los equipos porque la tensión es más estable ylas sobretensiones inducidas son atenuadas de mejor forma.

ü Los sistemas flotantes presentan menos riesgo de incendio por arcos eléctricos.ü Respecto a la seguridad de las personas, los sistemas flotantes con aislamiento clase II y baja tensión

son la mejor opción.ü En estaciones centrales no es conveniente el empleo de tensiones pequeñas de CC debido al

incremento en las pérdidas por conducción, así mismo, el uso de módulos FV y equipos con dobleaislamiento puede disparar los costos.

ü Aterrizar arreglos grandes en el punto medio de la tensión disminuye a la mitad el potencial máximocon respecto a tierra de los módulos, y con ello el riesgo de arcos eléctricos por alta tensión yenvejecimiento del aislamiento.

ProteccionesenelGeneradorFVAislamiento ClaseII

Esta especificación implica que los componentes eléctricos deben soportar una tensión de pruebadeterminada en función de la tensión nominal. Representa también mayor resistencia a factores comodegradación y abrasión.

Actualmente existen en el mercado:ü Módulos FVü Cables conductores yü Conectores y cajas de conexión que cumplen esta especificación

§ Su uso reduce considerablemente las posibilidades de fala de aislamiento durante la vida útil delsistema, y todas sus consecuencias (Fallas a tierra, cortocircuitos, arcos, etc)

§ Evita el uso de diodos de bloqueo y fusibles. Lo que compensa parte de los costos adicionales delequipo.

§ El uso de módulos y componentes con doble aislamiento puede ser recomendable en sistemasresidenciales. No en estaciones centrales.

ProteccionesenelGeneradorFVBajatensiónenelsistemaCC

Para propósitos de seguridad, la tensión del generador FV es la tensión de circuito abierto y no la tensiónde operación.

ü La norma IEC 364 establece una tensión máxima de circuito abierto para sistemas residenciales de120 Vcc.

ü El NEC (artículo 690-7) especifica una tensión máxima de 600 Vcc para cualquier tipo de instalación sinnecesidad de utilizar equipos o medidas de seguridad especiales.

§ Restringir la tensión de circuito abierto del sistema es una medida de protección contra contactoindirecto.

§ Reduce la magnitud de una descarga eléctrica y disminuye el estrés en el aislamiento y la probabilidadde falas del mismo.

§ La desventaja de operar con baja tensión es el aumento de pérdidas por conducción.

ProteccionesenelGeneradorFVProteccióncontrasobretensión

La sobretensión en el sistema CC de un generador FV es generado por descargas atmosféricas (rayos). Lasprotecciones están diseñadas principalmente para proteger a los equipos, sin embargo la seguridad de laspersonas se incrementa al implementarlas.

Mecanismo que producen la sobretensión:

ü El acoplamiento inductivo

ü El acoplamiento capacitivo y

ü El acoplamiento conductivo

ProteccionesenelGeneradorFVAcoplamiento Inductivo

Cuando el pico de la corriente que produce una descarga es conducido por el sistema interceptor derayos, la corriente de descarga produce tensiones inducidas en las espiras conductoras que se forman conel cableado del generador FV. La magnitud de la tensión inducida guarda una relación directa con el áreade la espira e inversa con la distancia entre la corriente y ésta.

Medidas de prevención de daños:

ü Instalar el arreglo FV lejos del conductor del sistema interceptor de rayos, si existeü Evitar que el cableado del arreglo forme lazos conductores de gran área. Alambrar los polos de cada

circuito dentro de unmismo ductoü Maximizar la sección transversal de las estructuras metálicas que soportan el arregloü Usar cables con mallametálica (blindados) para el circuito de salida del arreglo o subarregloü Usar varistores a la salida del arreglo y al final de la línea.

ProteccionesenelGeneradorFVAcoplamiento Inductivo

Cableado deuncircuitofuenteenunaarregloFV:a)Incorrecto;b)Correcto

ProteccionesenelGeneradorFVAcoplamiento Capacitivo

Las fluctuaciones en la intensidad del campo eléctrico causadas por descargas entre nubes, y entre nubesy tierra, producen una diferencia de potencial entre el arreglo y tierra, ya que el arreglo funciona como unplato capacitor.

La energía acoplada capacitivamente por rayos o más de 100 metros puede ser disipada con varistores.

Medidas para reducir los efectos del acoplamiento:

ü Instalar el arreglo FV lomás cerca posible del sistema de tierraü Instalar varistores para proteger el equipo electrónico de acuerdo con su sensibilidad a las

sobretensiones.ü Aterrizar sólidamente las estructuras y marcos metálicos de los módulos.

ProteccionesenelGeneradorFVAcoplamiento Conductivo

El acoplamiento conductivo ocurre debido a las caídas de tensión cuando parte de la corriente dedescarga fluye por cables, conexiones a tierra o la tierra del sistema.

Medidas para disminuir sus efectos:

ü Aterrizar marcos y estructuras correcta y consistentemente (Formar mallas)ü Si existe un sistema interceptor (pararrayos), el sistema de tierras debe estar integrado al cable de

conducción de la corriente de descargaü Colocar varistores en las líneas de potencia y de señalü Colocar varistores en la línea de CA para proteger el inversorü Los cables de conexión a tierra de los varistores y las mallas de los cables de potencia deben ser los

más cortos posibles.

ProteccionesenelGeneradorFVCONCLUSIONES

Ø Evitar la formación de lazos conductivos de gran área en el cableado del arreglo o subarreglo.

Ø Instalar el campo FV lo más alejado posible del cable conductor de la corriente de descarga si haysistema de pararrayos.

Ø Para proteger la caja de conexiones del arreglo o subarreglo se pueden usar varistores. La corrientenominal de los varistores debe ser de 10 kA

§ Si el cable tiene malla protectora (blindado) se pueden usar dispositivos demenor capacidad.

§ Si los conductores de salida son muy cortos se puede omitir el empleo de varistores.

Ø La conexión a tierra de los varistores debe estar al mismo potencial que los marcos estructurasmetálicas y el cable de conducción de descargas, si existe.

ProteccionesenelGeneradorFVCONCLUSIONES

Ø Con respecto al inversor, se debe usar protección contra acoplamiento capacitivo en todos los casos.

§ La capacidad de los varistores debe ser aproximadamente de 3 kA/kWp si no existe sistema depararrayos

§ Si hay sistemas de intercepción, usar dispositivos de 10 kA cuando el cable no tenga malla deprotección. Si el cable tiene malla usar elementos de 5 kA.

Ø Usar supresores de picos en la línea de CA para proteger la salida del inversor

Ø Normalmente en instalaciones residenciales no es necesario instalar pararrayos

Ø La mayoría de los edificios cuentan con sistema de intercepción de rayos, al cual se debe integrar elsistema de tierras del arreglo FV

Ø En estaciones centrales se utilizan pararrayos sólo en zonas de alto riesgo o en plantas de grancapacidad

ProteccionesenelGeneradorFVDeteccióndefalladeaislamiento

El artículo 690-5 del NEC estipula que el dispositivo de protección debe ser capaz de detectar la fall,interrumpir la corriente de falla y deshabilitar el arreglo.

Medios para detectar las fallas de aislamiento (falla a tierra)

Ø En sistemas flotantes con transformador de aislamiento

ü Un monitor de aislamiento en el lado CC que muestrea periodicamente la resistencia de cadalínea con respecto a tierra

§ El costo de los equipos para monitoreo de aislamiento es alto

§ Su uso no es indispensable en sistemas residenciales con aislamiento Clase II

ü Medir la rigidez dieléctrica del aislamiento entre conductores, y entre cada conductor y tierra, demanera periódica como práctica de mantenimiento preventivo.

Ø En sistemas aterrizados, sin transformador

ü Un detector de fuga a tierra (o dispositivo de corriente residual)

ProteccionesenelGeneradorFVMediosdedesconexión

El NEC, en sus artículos 690-13 a 690-18, prevé el uso de interruptores de desconexión en el generador FVpara realizar varias funciones.

Ø Interruptor para el circuito de salida del generador (Interruptor principal de CC)

ü Accesible, aislado e indicando la posición en que se encuentra.ü Si está energizado por más de una fuente se debe indicar en el tablero que existen parte vivas en

ambos lados.Ø Medios de desconexión para equipos de condicionamiento de potencia (Inversor, Filtros)

ü Si el equipo está energizado por más de una fuente, los disyuntores e interruptores deben estardebidamente identificados.

Ø Medios de desconexión para fusibles en ambos extremos

Ø Medios para deshabilitar el arreglo en caso de mantenimiento. El manual del NEC propone tresalternativas:

ü Cortocircuitar todos los circuitos del arreglo con interruptores o conectores.ü Dividir el arreglo en segmentos con tensiones no peligrosas mediante interruptores o

disyuntores.ü Cubrir el arreglo de la luz

EnsistemasflotantessedebenproveermediosdedesconexiónparaambospolosdeloscircuitosdeCCqueconformanelgeneradorFV

ProteccionesenelGeneradorFVSeleccióndecomponentes einstalación

SELECCIÓN:ü LoscomponentesutilizadosenelsistemaFVdebencumplirconlasnormasdelaindustriaeléctrica

paratalpropósitoü Elcableadodebeestarcorrectamentedimensionado considerandolascondicionesdetemperaturaa

laquevaaestarsometido§ Dimensionarelcalibredelosconductoresdeconexióndecadaramaparasoportarlacorriente

totaldecortocircuito§ ElaislamientodebeserresistentealahumedadyalosrayosUV

ü Losconectoresycajasdeconexióndebenserapruebadecortocircuitosyfalsoscontactos§ Debenserpolarizadosynointercambiablesconreceptáculoseléctricos deotrasinstalaciones

eléctricas enelinmueble§ Suconstruccióneinstalacióndebeprotegeralaspersonascontracontactoaccidentalcon

conductores“vivos”(aislamiento)§ Debentenerunmecanismoparaevitarquesedesconectenosezafen§ Debentenerlacapacidaddeinterrumpirlacorrientedelcircuitosinriesgosaloperador

ProteccionesenelGeneradorFVSeleccióndecomponentes einstalación

Prácticasdeinstalación:

ü Sedebeseguirloslineamientodelfabricanteparaevitardañosaloscomponentesdurantela

instalación(módulos, cajasdeconexión,etc)

ü Losconductoresqueentranenunacajadeconexióndebenquedarmecánicamentesujetosala

mismaparaevitararcosencasodeunaconexiónflojaodañada.

ProteccionesenInversorFuncionesdeprotecciónencaminadas aevitardañosyriesgosenel

sistemadepotencia

q Proteccióncontraoperaciónenmodoisla(Islanding)ü Es una de las protecciones obligadas para evitar riesgos al personal de la compañía

suministradora, daños a otros usuarios por alimentar cargas con tensión y frecuenciainapropiados,yfinalmentedañosalinversormismoporunaposiblereconexiónnosincronizada.

q Respuestaafallasenelalimentadorü Los generadores FV son fuentes de corriente, lo que limita su contribución a las corrientesde

falla.ü Losrelevadoresdetensiónyfrecuenciasonlosprincipalesmediosdedetecciónydesconexión

delsistemaFVencasodedisturbiosenlaredocasionadosporfallas.

q ControldelFPü Es una forma indirecta de protecciónalosequiposdelaredysususuarios.ü TodoslosinversoresconectadosalareddebentenercontroldesuFP.

ProteccionesenInversorFuncionesdeprotecciónencaminadas aevitardañosyriesgosenel

sistemadepotencia

q Controldeemisióndearmónicosü Esotra forma indirectadeprotección a los usuarios de la red y a los equiposdel sistemade

potencia.ü Ladistorsiónde tensión causadapor corrientes armónicas inyectadas a la redpuedeprovocar

problemas de operación a equipos sensibles a la detección de cruces por cero y porsobretensionespeligrosas,entreotrascosas.

q ProteccióncontrainyeccióndeCCenlaredü Se logra a travésdeuntransformadordeaislamiento.Quepuedeserparteintegraldelinversoro

conectarsedemaneraexterna;ypuedeserdealtaobajafrecuencia.q Controldeemisionesderadiofrecuencias(IEM)

ü Esta es una protecciónalossistemasdecomunicacionespropiosdelsistemadepotencia,aotrossistemasdecomunicación,yequipossensiblesalruidopróximosalinversor.

q Proteccionespropiasdelinversorü Funciones de protección encaminadas a protegerse a sí mismo de situaciones anormales en

amboslados,elsistemadeCCylared.

ProteccionesenInversorFuncionesdeprotecciónencaminadas aprotegerseasímismodesituaciones anormales enambos lados, elsistemaCCylared

q Proteccióncontrasobretensionesü Supresoresdepicosdetensiónovaristoresensusterminalesdeentradaydesalida.

q Proteccióncontrasobrecargaü Sensor de temperatura y su circuito de desconexiónasociado.ü Desplazando el punto de operación del generador FV del punto de máxima potencia (PMP)

cuandosupotenciadesalidaexcedelacapacidaddelinversorq Proteccióncontracorrientesdefalla

ü El inversor debe ser capaz de interrumpir las corrientes de falla provenientes de la red hacia elgenerador FV.

q ProteccióncontrafallasenelladodeCCü Un diodo entre las terminales positiva y negativa (antes del filtro LC) contra cambios de polaridad

de la tensióndeentradaeninversoresconmutadosporlínea.ü DeteccióndefallasdeaislamientoycortocircuitoenelgeneradorFV

Esimportantequelasfuncionesdeproteccióndelinversorseanprobadasconciertafrecuenciapara

garantizarsucorrectofuncionamiento

ProteccionesenladodeCAAlgunascompañías suministradoras exigenqueciertas funcionesdeprotecciónque

usualmente seincluyenenelinversorsean implementadas demaneraexternaq InterruptordeCA/Proteccióncontracortocircuito

ü Indispensableparamantenimientodelsistema,desconexiónencasodefallatantoenredcomoen los elementosdel sistema FV, y para evitar pérdidaspor la corrientedemagnetizacióneninversorescontransformadordebajafrecuenciaporlanoche

ü Dispositivodeaccionamientoautomático.q Mediodedesconexiónmanual

ü Es un requisito que algunas compañías suministradoras establecen para la interconexión degeneradoresFVensuslíneasdealimentación

ü Algunas compañías en los EEUU consideran el medidor de energía como un medio dedesconexiónválidoporqueesfácilmenteremovible.

ü LanormaIEEE1001reconocelasdificultadaspotencialesconmúltiplessistemasinterconectadosysugierequeunmétodoconfiablededesconexiónautomáticaquecumplaloslineamientosdeseguridadseríapreferible

q Puntodeinterconexióndesistemasresidencialesü En el lado de la líneadelinterruptordeserviciodelaacometidanormalsinningunarestricción.ü Enelladodelacargadelinterruptordeserviciosiempreycuando,losinterruptoresquepueden

seralimentadosconcorrienteensentidoinversoesténespecificadosparataloperación.Sedebeseñalarqueestánenergizadosporamboslados.

ProteccionesenladodeCAAlgunascompañías suministradoras exigenqueciertas funcionesdeprotecciónque

usualmente seincluyenenelinversorsean implementadas demaneraexterna

NormasyregulacionesparasistemasFV

q NormasespecíficassobresistemasFVü SistemasFVterrestres.ü InterconexióndesistemasFVconlaredü Protecciónyseguridadü Elequipodeacondicionamientodepotencia(inversores)

q NormassobresistemaseléctricosdepotenciaaplicablesasistemasFVü Calidad de suministro / disturbios en la redü Cogeneraciónü Convertidoresestáticosü ProtecciónySeguridad

q Códigoseléctricos,especificacionesynormasnooficialesü Códigoseléctricos,guíastécnicas,normasnooficialesyreportesdesarrolladosporinstituciones

académicasydeinvestigación,compañíassuministradoras,organismosgubernamentalesyotrasasociaciones.

ü Las normas IEC (International Electrotechnical Commission) y las IEEE (Institute of ElectricalandElectronicsEngineers)sonaceptadasinternacionalmente