RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA PROTECCIÓN DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Lo primero que debo de decir antes de nada, es que las directrices que se van a exponer de aquí en adelante son recomendaciones generales y que por tanto, no sustituyen a las normas locales que deban de aplicarse en cada país. Una vez dicho esto, también debo de decir que seguidas estas directrices se garantiza que en el caso de una descarga motivada por un rayo, se limitarán los daños en la instalación o se anularán en el mejor de los casos.
Los sistemas fotovoltaicos autónomos debido a sus características de ubicación suelen estar expuestas en un grado de probabilidad significativamente mayor a los efectos provocados por la caída de rayos, ya que en la mayoría de los casos se ubican en zonas remotas con alta probabilidad de ocurrencia de este fenómeno.

El efecto principal del rayo sobre la instalación fotovoltaica aislada es que produce sobretensiones en todos los elementos conductivos y especialmente en los cables y en las cargas eléctricas. La Figura J5 muestra los valores facilitados por el comité de protección contra rayos (comité técnico 81 de IEC). Como se puede observar, la mitad de las caídas de rayos presentan una fuerza superior a 33 kA y el 5% son superiores a 85 kA. Por consiguiente, las fuerzas de energía son muy altas.

La caída del rayo, además de una inducción importante y efectos de sobretensión, produce los mismos efectos que cualquier otra corriente de baja frecuencia en un conductor:
 

-          Efectos térmicos: fusión en los puntos de impacto del rayo y efecto Joule, debido a la circulación de la corriente, lo que produce incendios.

-          Efectos electrodinámicos: cuando las corrientes de los rayos circulan en conductores paralelos, provocan fuerzas de atracción o repulsión entre los cables, lo que produce roturas o deformaciones mecánicas (cables aplastados).

-          Efectos de combustión: los rayos pueden producir que el aire se expanda y se cree una sobrepresión que se dispersa en una distancia de varias decenas de metros. Un efecto de explosión rompe ventanas o divisiones que pueden proyectarse en animales o personas a varios metros de su posición original. Esta onda de choque al mismo tiempo se convierte en una onda de sonido: el trueno.

-          Sobretensiones conducidas tras un impacto en las líneas telefónicas o en las líneas aéreas eléctricas.

-          Sobretensiones inducidas por el efecto de radiación electromagnética del canal del rayo que actúa como antena en varios kilómetros y lo cruza una corriente de impulso considerable.

-          El aumento del potencial de tierra por la circulación de la corriente del rayo por la tierra. Esto explica las caídas de rayos indirectas por tensión de paso y los defectos de los equipos.

Los daños provocados a una instalación fotovoltaica aislada debido al efecto atmosférico conocido como rayo, puede darse incluso si no se recibe el impacto directo de éste, generando sobretensiones como ya se ha mencionado. Debemos de distinguir dos tipos de sobretensiones provocadas por el efecto del rayo:

-          Modo Común,

-          Modo Diferencial

Las sobretensiones en modo común se producen entre las partes activas y la tierra: fase/tierra o neutro/tierra (véase la Figura J8).Resultan especialmente peligrosas para los dispositivos cuyas estructuras (masa) se encuentren conectadas a tierra, debido al riesgo de defecto dieléctrico.

Las sobretensiones en modo diferencial circulan entre los conductores activos de fase/fase o fase/neutro (véase la Figura J9). Resultan especialmente peligrosas para los equipos electrónicos, los equipos informáticos sensibles, etc.

Como vemos, los efectos del rayo  están directamente relacionados con el esquema de puesta a tierra que se tenga implementado en la instalación entre otros, por lo que trataremos, en la medida de lo posible, realizar el diseño de las medidas de protección en concordancia con el esquema de puesta a tierra que tengamos previsto implantar en la instalación.

Es importante destacar que existen dos tipos principales de dispositivos de protección que se utilizan para eliminar o limitar las sobretensiones producidas por los fenómenos atmosféricos: se denominan dispositivos de protección principales y dispositivos de protección secundarios. La finalidad de los dispositivos de protección principales es proteger las instalaciones contra las caídas directas de rayos, atrapando la corriente del rayo y dirigiéndola a la tierra. El principio se basa en un área de protección determinado por una estructura que es más alta que el resto. El ejemplo típico es el pararrayos. Los dispositivos de protección secundarios tratan de limitar las sobretensiones transitorias y dispersa las ondas de corriente a tierra para reducir la fuerza de la sobretensión y hacerla segura para las instalaciones y los equipos eléctricos/electrónicos.

En este caso, nos vamos a centrar en el segundo tipo de dispositivos, si bien, si existiese un dispositivo de protección principal, se comentará cómo se debe de realizar su integración.

Las medidas a llevar a cabo de forma simultánea para la protección de nuestra instalación de los efectos producidos por una caída no directa del rayo, serán las que a continuación se mencionan:

-          Un electrodo de tierra único,

-          Creación de una red equipotencial de puesta a tierra mediante la unión de todas las partes metálicas de los equipos eléctricos,

-          Disposición del cableado de tal forma que se evite la creación de “bucles” que fomenten la creación de sobretensiones debido a efectos inductivos,

-          Instalación de dispositivos de protección de sobretensión adecuadamente conectados con la tierra de protección de los equipos,

-          Apantallado de cables de los sistemas de datos y telecomunicaciones.

ELECTRODO DE TIERRA ÚNICO

Llegados a este punto vamos a recordar, según la IEC 60364, los tres tipos de configuración que existen para los esquemas de puesta a tierra, los cuales se identifican por medio de dos letras. La primera indica la puesta a tierra del neutro (T: puesto a tierra e I: no conectado a tierra o puesto a tierra a través de una impedancia elevada). La segunda letra indica la puesta a tierra de las carcasas metálicas de los equipos Clase I (T: puestas a tierra y N: conectadas al neutro). Recordemos que los equipos Clase I tienen partes metálicas accesibles, en las cuales puede aparecer una tensión peligrosa debido a un fallo de aislamiento. Los equipos de Clase II disponen de un aislamiento doble o reforzado que evita la aparición de una tensión peligrosa en su parte exterior. En la Imagen 1 se muestra los símbolos que representan las dos clases mencionadas.

Imagen 1.

El conductor que conecta las carcasas metálicas a tierra, o al neutro, se denomina conductor de protección o PE. A pesar de que el sistema TN permite utilizar el neutro como conductor de protección, en el caso de que se utilicen interruptores diferenciales, es necesario la configuración TN-S, en la que el neutro y el conductor de protección son diferentes, ya que en el caso TN-C, la apertura del conductor neutro dejaría el circuito de tierra abierto.

Red TN-S

Siempre he manifestado, tanto en los comentarios en el blog de solarweb como en las dudas que recibo en el correo, que el “director de orquesta” en las instalaciones fotovoltaicas aisladas, en el caso de que haya cargas en AC, es el inversor . Pues bien, nuevamente y una vez más en este caso se pone de manifiesto lo que he comentado, ya que habrá que tener presente las instrucciones del fabricante del inversor en cuanto a la conexión de puesta a tierra de éste, sus posibilidades de modificación en relación a las que trae por defecto y si se permite la puesta a tierra o no de uno de los polos del lado de continua para su correcto funcionamiento. La posibilidad de la puesta a tierra de uno de los polos del lado de continua casi siempre es posible ya que suele existir una separación galvánica entre CC y AC. Esta posibilidad la comento ya que en algunos países es obligatorio, independientemente de la tensión, la puesta a tierra de uno de los polos del lado de continua, por ejemplo EEUU y su NEC (National Electric Code).

Como ejemplo del párrafo anterior y en relación con los esquemas de conexión a tierra, sírvase las imágenes que a continuación se ponen, extraídas de los manuales de dos inversores habitualmente utilizados en instalaciones aisladas.

Imagen 2.

La imagen anterior, como se puede ver, pertenece a un inversor de Clase I, ya que dispone de un chasis metálico que debe ponerse a tierra de forma permanente, y que a su vez está conectado con el PE. Así mismo, el conductor neutro está puesto a tierra a través de su interconexión con el PE, estableciendo por tanto una red TN-S por defecto.

De la imagen 2, podemos también deducir, que sería posible la puesta a tierra del polo negativo de entrada de CC, ya que el fusible interno de protección del inversor está sobre el polo positivo.

Si, por requisitos de diseño, necesitásemos realizar una instalación IT con este inversor, a priori no podríamos, si bien, en el mismo manual nos indica la forma de realizar una red IT como vemos en la imagen 3. Es decir, tendríamos que cortar el cable G o retirarlo.

Imagen 3.

En el caso de otro inversor, su manual de instalación indica lo que se muestra en la imagen 4.

Imagen 4.

Además también nos avisa de lo siguiente:

Imagen 5.

Nuevamente vuelven a recomendar que la red de distribución sea TN-S, pero en este caso, se debe de realizar por el instalador ya que se sobreentiende que no viene por defecto.

Creación de una red equipotencial de puesta a tierra mediante la unión de todas las partes metálicas de los equipos eléctricos

Vemos que el inversor “necesita”, en principio, ponerse a tierra para su funcionamiento, lo que da lugar a su “propio” electrodo de tierra.

La estructura metálica de soporte de los paneles también debe de ponerse a tierra, normalmente con su “propio” electrodo de tierra.

Como hemos mencionado, en ocasiones, por normativa o por necesidades de funcionalidad de equipos, uno de los polos de corriente continua también se pone a tierra.

Puede darse el caso de que el edificio en el que estén las cargas a alimentar, también disponga de su “propio” electrodo de tierra.

En el caso de que exista un dispositivo de protección principal (pararrayos), éste tiene su/s propios electrodos de puesta a tierra, con lo que, en principio, nos podemos encontrar con múltiples electrodos de puesta a tierra en una misma instalación aislada.

Como hemos mencionado anteriormente, para que la protección contra la caída de rayos sea efectiva, todas las masas metálicas de los diferentes equipos deben de estar interconectadas y éstas a su vez conectadas a un electrodo de tierra común, incluso si los equipos están en ubicaciones diferentes, por lo que el esquema básico de lo que sería conveniente realizar, en el caso de que no se ponga a tierra ningún polo de CC sería el de la Imagen 6.

Imagen 6.

La interconexión entre las partes metálicas que componen la instalación y el electrodo común, debe de realizarse o con un conductor de protección (verde/amarillo) con una sección mínima de 16 mm2 o bien, con cable de cobre desnudo de al menos 25 mm2 de sección que una todos los posibles electrodos locales que existan, creando una malla equipotencial. Si la distancia de este cable fuese superior a 50 m, es recomendable enterrar el conductor de cobre desnudo.

En el caso de las partes metálicas de los componentes electrónicos (regulador de carga, inversor, cargador, etc.) que estén separados menos de dos metros uno de otro, deberían de protegerse de la siguiente forma:

-          Si la distancia entre los equipos y la barra metálica de unión equipotencial de los diferentes conductores de puesta a tierra están a menos de 3 metros de ésta, cada conductor de tierra del equipo debería de conectarse directamente a esta barra con una sección mínima del conductor de tierra de 10 mm2.

-          Si la distancia entre el equipo y la barra está a más de 3 metros, cada conductor de puesta a tierra del equipo debería de conectarse a un conductor de cobre desnudo y éste a su vez, conectado con la barra metálica de unión.

En la imagen 9.  se esquematiza lo mencionado.

Imagen 9.

Estas conexiones deberían de realizarse incluso si existe el cable verde/amarillo que conecta los equipos a través del cable de potencia.

Disposición del cableado de tal forma que se evite la creación de “bucles” que fomenten la creación de sobretensiones debido a efectos inductivos

Así mismo, de ser posible, también se debe llevar el conductor de tierra lo más cercano posible con los conductores activos para evitar incrementar la superficie del anillo o “bucle” que formaría el conductor de tierra y los cables activos como se muestra en la imagen 7, para reducir la tensión inducida (SOBRETENSIÓN EN MODO COMÚN) creada en los cables tras la caída del rayo.

Imagen 7.

El mismo efecto se produce entre el polo negativo y el polo positivo cuando cae el rayo (SOBRETENSIÓN EN MODO DIFERENCIAL), con lo que en el caso más desfavorable, la tensión inducida se trasmite directamente a la salida CC del modulo, añadiéndose a la tensión de salida de la serie y por tanto posibilitando el daño de los módulos. Para evitar en la medida de lo posible este incremento de tensión inducida, es importante mantener al mínimo la superficie del anillo o “bucle” que se crea por la unión de los módulos en serie, como se ve en la Imagen 8.

Imagen 8.

En ocasiones, puede darse el caso de que coloquemos el campo fotovoltaico con un dispositivo de protección principal, por ejemplo,  cerca de un pararrayos, jaula de Faraday, o encima de un tejado en el que existe uno, en este caso se recomienda la unión directa de las partes metálicas de los módulos y estructura metálica con el conductor de bajada del pararrayos como puede verse en la Imagen 9. PF sería el dispositivo de protección secundaria que veremos más adelante.

Imagen 9.

Instalación de dispositivos de protección de sobretensión adecuadamente conectados con la tierra de protección de los equipos

Los dispositivos de protección contra sobretensiones deben de instalarse como complemento para las descargas de los picos de tensión originados por la caída del rayo en las cercanías de la instalación fotovoltaica y/o, para las sobretensiones originadas por el impacto directo sobre un dispositivo de protección principal que haya instalado; en este último caso se conocen como descargadores de corriente de rayo. Es muy importante tener en cuenta que la selección de los descargadores de sobretensión y/o descargadores de corriente de rayo es diferente, así como su instalación.

Estos dispositivos son capaces de garantizar la protección contra sobretensiones de origen atmosférico, y otras que se produzcan en la instalación. Pueden ser: descargadores a gas, varistores de óxido de zinc, diodos supresores, descargadores de arco, combinaciones de las anteriores, etc.

Según la norma EN 61643-11 existen tres tipos de protectores de sobretensión denominados: Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3.

Los parámetros más significativos para cada uno de estos tipos son:

	Tipo 1	Tipo 2	Tipo 3
Capacidad de absorción de energía	Muy Alta-Alta	Media-Alta	Baja
Rapidez de respuesta	Baja-Media	Media-Alta	Muy Alta
Origen de la sobretensión	Impacto directo de rayo	Sobretensiones de origen atmosférico y conmutaciones, conducidas o inducidas

Según la norma IEC 61643-1 el Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3, correspondería con Clase I, Clase II y Clase III

Es muy importante  además, conocer para la selección correcta de estos dispositivos, una serie de términos utilizados por los fabricantes:

-   In: Corriente nominal de descarga; valor de cresta de una corriente de forma de onda 8/20 μs que circula por el interior del limitador. Se utiliza para la clasificación de los limitadores para ensayo de clase II, y para el precondicinamiento de limitadores en el ensayo de clases I y II.

-   Imáx: Corriente máxima de descarga para el ensayo de clase II; valor de cresta de

la corriente de forma de onda 8/20 μs que circula por el interior del limitador, y de

amplitud conforme a la secuencia de ensayo de funcionamiento para la clase II. Imáx es superior a In.

-   Ic: Corriente de funcionamiento permanente o corriente de fuga; circula por el

limitador que está alimentado a una tensión máxima de servicio permanente Uc

para cada modo.

-   Iimp: Corriente de choque para el ensayo de clase I; valor de cresta de la corriente

de forma de onda 10/350; se define por sus parámetros de corriente de cresta Ipeak y de carga Q.

Imagen 10.

         - Un: Tensión de red nominal; es el valor de tensión de referencia que   designa la red, por ejemplo: 230/400 V para una red trifásica.Es común utilizar la tensión fase/neutro denominada Uo; este valor Uo es necesario para elegir la Uc.

        - Uc: Tensión máxima de servicio permanente; valor máximo de la tensión eficaz o continua que se puede aplicar de manera continua para el modo de protección de un limitador. Es igual a la tensión asignada.

        - Up: Nivel de protección en tensión: parámetro que caracteriza el funcionamiento del limitador para la limitación de la tensión entre sus bornes y que se escoge de entre la lista de valores predefinidos. Este valor es superior al más elevado obtenido por la medida de la tensión de limitación. Los valores más comunes para una red de 230/400 V son: 1 kV - 1,2 kV - 1,5 kV - 1,8 kV - 2 kV - 2,5 kV.

        - Ur: Tensión residual; se trata del valor máximo de cresta de la tensión que aparece en los bornes de un limitador debido al paso de una corriente de descarga.

De todos los términos anteriores, para nuestros intereses será necesario prestar atención a los siguientes:

- Intensidad máxima, (Imax): máxima intensidad que puede descargar sin dañarse en una ocasión.

- Intensidad nominal, (In): intensidad que el protector puede descargar 20 veces sin dañarse.

- Tensión nominal asignada o tensión máxima en régimen permanente, (Uc): Es la máxima tensión para la cual el protector no derivará corriente a tierra.

- Tensión residual asignada o nivel de protección, (Up): es la tensión que aparece en los extremos del protector, cuando es atravesado por la intensidad nominal.

Una vez explicadas las características básicas necesarias para caracterizar los descargadores de sobretensión, observamos que: tenemos que tener presente que para la protección en el caso de impactos directos necesitamos al menos un dispositivo de protección de Tipo I en el lado de continua a la salida del generador fotovoltaico, mientras que en el lado de alterna podrán ser de Tipo II ó Tipo I+II, mientras que en el caso de que necesitemos proteger contra la caída de rayo de forma indirecta seleccionaremos descargadores del Tipo II. Ni decir tiene, que no son los mismos dispositivos los que se utilizan para el lado de continua que para el de alterna, por lo que llegados a este punto, es necesario siempre consultar con el fabricante de la marca que vamos a instalar o el catálogo que tengamos disponible para su selección específica DC o AC.

Como normas generales, las características para la selección del dispositivo de protección se determinarían según los siguientes criterios:

- Uc: la tensión del varistor deberá de seleccionarse de tal forma que no permita el paso de la corriente cuando la tensión es igual a la tensión de circuito abierto del módulo (Un>1,4 x Uoc)

- Up: nivel de protección, inferior a 1,5 kV en el lado de continua y, dependiendo de los equipos a proteger en el lado de alterna, serán <1,5 kV en el caso de haya equipos electrónicos sensibles (ej. TV, ordenadores, equipos digitales, etc) o <2,5kV si no hay equipos electrónicos (ej. electrodomésticos). En estas recomendaciones no se entra a valorar la protección fina en cascada (dispositivos Tipo III) en el lado de alterna.

- In>= a 5 kA hasta 15 kA en onda normalizada 8/20 µs o Imax>= a 10 kA hasta 40 kA, en función del nivel de protección deseado, en el caso de dispositivos Tipo II; en el caso de que exista un pararrayos, como hemos dicho, habrá que seleccionar dispositivos Tipo I con Iimp>= a 15 kA hasta 40 kA en onda normalizada 10/350 en función del nivel de protección deseado.

Es importante tener en cuenta que los diodos de bloqueo y by-pass que se puedan colocar en la instalación deberán de ser compatibles en polarización inversa con el dispositivo de protección, con el objetivo de que no se destruyan en caso de sobretensión (especial atención con los diodos “Schottky”).

Los dispositivos de protección en el lado de continua se colocarán tanto a la salida del generador fotovoltaico, en la caja de conexión DC por ejemplo, y antes del regulador de carga y/o inversor, siempre y cuando la longitud entre el generador fotovoltaico y los equipos (regulador, inversor, etc) sea superior a 10 m., en el caso de que esta distancia sea inferior, se pueden omitir los dispositivos de protección de sobretensiones a la salida del generador fotovoltaico.

En las siguientes imágenes se representan, a partir de catálogos de una marca comercial, algunas características que debemos de observar para la selección del tipo adecuado de SPD así como su instalación, si bien, siempre es necesario consultar con el fabricante para cerciorarnos de que el dispositivo cumple con las necesidades de nuestra instalación.

En la imagen 11. se representa los datos técnicos de un dispositivo de protección contra sobretensiones (Surge Protection Device) Tipo I, necesario si existe un sistema protección principal tipo pararrayos.

Imagen 11.

En la imagen 12. vemos cómo se debe de instalar el dispositivo de la imagen 11. según el fabricante, en el lado de continua. Observad que debe de instalarse en un armario con protección clase II.

Imagen 12.

En la siguiente imagen, se nos muestra las características técnicas de un descargador de sobretensiones Tipo II, a instalar en el caso de que se desee proteger la instalación de descargas atmosféricas tipo rayo de forma indirecta.

Imagen 13.

En la imagen 14. se ve cómo se debe de instalar el equipo de la imagen 13. Como se ha mencionado anteriormente, en el caso de que la distancia entre el generador y el regulador/inversor, podemos omitir el dispositivo a la salida del generador fotovoltaico.

Imagen 14.

En la imagen 15 y 16 se representa un SPD Tipo II a colocar en el lado de AC, aguas abajo del inversor en una red TN-S.

Imagen 15.

Imagen 16.

Referencias:
1) Common practices for protection against the effects of lightning on stand-alone photovoltaic systems. Report IEA PVPS T3-14: 2003
2) Guía de diseño de instalaciones eléctricas. Capítulo J Protección contra Sobretensiones. Schneider Electric
3) Protección contra rayos y sobretensiones Sistemas fotovoltaicos.ABB
4) ITC-BT-08
5) ITC-BT-23
6) Catálogos DEHN (SPD) Protección Instalaciones Fotovoltaicas
7) Catálogo Inversores Varios