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Protección de sobretensión para aplicaciones fotovoltaicas
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Protección de sobretensión para aplicaciones fotovoltaicas Protección de sobretensión para aplicaciones fotovoltaicas
Ejemplo de aplicación fotovoltaico
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Protección de sobretensión para aplicaciones fotovoltaicas
Ejemplo de aplicación fotovoltaico
Protección de sobretensión es sinónimo de prevención de daños Las instalaciones fotovoltaicas para la generación de energía renovable, por su posición expuesta a la intemperie y sus grandes extensiones, están especialmente amenazadas por las descargas de rayos. En consecuencia, se pueden producir fallos en algunos segmentos o en toda la instalación. Las corrientes de rayo y las sobretensiones son las causas más habituales de los daños materiales en los inversores y módulos fotovoltaicos. A menudo, estos daños implican costes adicionales para los operadores de las instalaciones fotovoltaicas: no solo deben incurrir en elevados gastos de reparación, sino que también ven la rentabilidad de la instalación considerablemente mermada. Por lo tanto, una instalación fotovoltaica debería integrarse en el sistema
existente de protección pararrayos y de toma de tierra. Para evitar estas averías es preciso utilizar sistemas coordinados de protección contra rayos y sobretensión. Nosotros le ofrecemos nuestra asistencia para que su instalación funcione sin fallos y para que usted realmente obtenga el rendimiento calculado. Asegure su instalación fotovoltaica con los protectores contra rayos y sobretensión de Weidmüller: • Para proteger su edificio e instalación fotovoltaica • Para una mayor disponibilidad de las instalaciones • Para asegurar su inversión
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Normas y requisitos Para realizar una instalación fotovoltaica es imprescindible cumplir las normas y directivas vigentes en materia de protección contra sobretensiones. El proyecto de norma europea DIN VDE 0100 parte 712 / E DIN IEC 64/1123/CD (construcción de instalaciones de baja tensión; requisitos de instalaciones y espacios
Superficie del tejado tras el siniestro
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especiales; sistemas de suministro de energía fotovoltaica) o las normas internacionales de construcción de instalaciones fotovoltaicas – IEC 60364-7-712 – describen la elección y el montaje de la protección de sobretensión para instalaciones fotovoltaicas y recomiendan utilizar dispositivos de protección contra sobretensiones entre los generadores fotovoltaicos. En su publicación VdS 2010, „VdS-Schadenverhütung“ (prevención de daños) exige una protección contra rayos y sobretensión del tipo de protección 3 en edificios con una instalación fotovoltaica de menos de 10 kW. Por supuesto, nuestros componentes cumplen todos los requisitos que garantizan una instalación segura de cara al futuro. Además, está en preparación una norma europea sobre componentes de protección de sobretensión. Esta norma especificará los casos en que se deberá establecer una protección de sobretensión en el lado DC de las instalaciones fotovoltaicas. Actualmente, esta norma se denomina prEN 50539-11. En Francia, ya ha entrado en vigor una norma similar, la UTE C 61-740-51. Actualmente, los productos de Weidmüller están homologados según ambas normas, por lo que ofrecen una seguridad incrementada.
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Máxima protección gracias a los protectores de sobretensión de Weidmüller Nuestros módulos de protección contra sobretensiones del tipo I y la tipo II (descargadores B y C) limitan las tensiones de forma rápida y derivan las corrientes con seguridad. De esta manera, se pueden evitar daños costosos e incluso fallos en la instalación fotovoltaica. Para edificios con o sin instalación de protección pararrayos. Tenemos el producto idóneo para todas las aplicaciones! Si lo desea, le entregamos los módulos con configuración personalizada y listos para cablear, integrados en una carcasa. Aplicación de dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) en instalaciones fotovoltaicas Cuando se utilicen dispositivos de protección contra sobretensiones, DPS, (en inglés, surge protective device = SPD) en las instalaciones fotovoltaicas, se deben observar algunas particularidades. Al contrario que las aplicaciones de DPS en sistemas de tensión alterna, una instalación fotovoltaica es una fuente de tensión continua con propiedades específicas. Al planificar la instalación se deben tener en cuenta estas propiedades específicas y adaptar los DPS. Los DPS para instalaciones fotovoltaicas se deben dimensionar tanto para una máxima tensión en vacío (UOC STC = tensión del circuito sin carga en condiciones estándar de ensayo) del generador solar como también para una máxima disponibilidad de las instalaciones y elevada seguridad.
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La energía fotovoltaica es un pilar fundamental de la producción de energías renovables y recuperables. Protección pararrayos exterior Por su amplia extensión y situación a la intemperie, las instalaciones fotovoltaicas están especialmente expuestas al peligro de las descargas atmosféricas, como los rayos. Se debe distinguir entre el impacto directo de rayos y las llamadas interferencias indirectas (inductivas y capacitivas). La necesidad de una protección pararrayos está determinada, por un lado, por las exigencias normativas y, por otro lado, también por la propia aplicación; es decir, si se trata de una instalación en edificios o en el campo. En las instalaciones en edificios se distingue entre la instalación del panel fotovoltaico en el techo de un edificio público, provisto de protección pararrayos, y la instalación en techos de graneros sin protección pararrayos. Por la gran superficie de los módulos, las instalaciones en el campo también presentan grandes superficies expuestas, por lo que se recomienda instalar siempre una protección pararrayos exterior que proteja contra los rayos directos.
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Encontrará información normativa en IEC 62305-3 (VDE 0185-305-3), suplemento 2 (dimensionado según el tipo de protección y nivel de riesgo LPL III) [2] y suplemento 5 (protección contra rayos y sobretensión para sistemas de suministro de energía fotovoltaica), así como en la directiva VdS 2010 [3] (protección pararrayos requerida en instalaciones fotovoltaicas > 10 kW). Además, deben tomarse medidas de protección contra sobretensiones. Preferentemente, el panel fotovoltaico debe estar protegido por un dispositivo captador separado. Sin embargo, cuando no se pueda evitar la conexión directa del panel fotovoltaico — no pudiéndose respetar, p. ej., la distancia de separación —, se deberán tener en cuenta los efectos de las corrientes parciales de rayo. Básicamente, deben utilizarse cables apantallados para las líneas principales del generador para mantener las sobretensiones inducidas lo más reducidas posible. Además, si la sección del apantallamiento es suficiente (mínimo 16 mm² Cu), el apantallamiento del cable se puede utilizar para guiar las corrientes parciales de rayo. Esto también es aplicable cuando se utilicen carcasas metálicas cerradas. En los cables y carcasas metálicas, la conexión a tierra debe realizarse en ambos lados. De esta forma, la línea principal del generador (lado DC) se encuentra dentro de LPZ 1 (en inglés, lightning protection zone); es decir, será suficiente con un dispositivo de protección contra sobretensiones DPS del tipo II. De lo contrario, sería necesario un DPS del tipo I. Utilización y diseño correcto de los dispositivos de protección contra sobretensiones En general, la utilización y el diseño de los DPS en instalaciones de baja tensión en el lado de corriente alterna son el estándar habitual, pero el empleo y correcto diseño de los generadores fotovoltaicos de corriente continua siguen siendo un reto. Primero, porque un generador solar tiene sus propias particularidades y, segundo, porque los DPS se utilizan en circuitos de tensión continua. Los DPS convencionales son típicamente desarrollados para sistemas de tensión alterna y no de tensión continua. Desde hace años existen normas de producto específicas [4] que, en principio, también son válidas para las aplicaciones de tensión continua. Si bien en el pasado se obtenían tensiones relativamente bajas, en la actualidad ya se alcanzan los 1.000 V DC aproximadamente en circuitos fotovoltaicos sin carga conectada. Naturalmente, estos niveles de tensión continua del sistema deben controlarse mediante dispositivos de protección contra sobretensiones apropiados. Las posiciones técnicamente aconsejables y prácticas para colocar los DPS en una instalación fotovoltaica dependen básicamente del tipo de instalación, del diseño de esta y de su extensión espacial. Las imágenes 2 y 3 muestran la diferencia principal: en la primera, un edificio con protección
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pararrayos exterior y una instalación fotovoltaica en el techo (instalación en edificios); en la segunda, extensa instalación con generadores solares fotovoltaicos (instalación en el campo) también con protección pararrayos exterior. En el primer caso, por los cables cortos, solo se ha instalado una protección en la entrada DC del inversor, mientras que en el segundo caso se han dispuesto DPS tanto en la caja de toma de corriente del generador solar (protección de los módulos solares) como en la entrada DC del inversor (protección del inversor). Si el recorrido del conductor entre el panel fotovoltaico y el inversor supera los 10 m (imagen 2), deberán instalarse DPS cerca del panel fotovoltaico y también cerca del inversor. La protección del lado AC, es decir, la salida del inversor y la inyección a la red, debe equiparse de forma estándar con DPS del tipo II en la salida del inversor y —en una instalación en edificios con protección pararrayos exterior— con un descargador con DPS del tipo I.
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Imagen 1: Principio de funcionamiento extraído de DIN VDE 0100-712
Particularidades del lado DC del generador solar Hasta la fecha, para proteger el lado DC siempre se utilizaban DPS para las tensiones alternas de red normales, donde L+ y L– estaban conectadas respectivamente a tierra a efectos de protección. Los DPS estaban diseñados para al menos un 50 % de la máxima tensión en vacío del generador solar. El uso durante años puede provocar defectos de aislamiento en el panel fotovoltaico. Este fallo en la instalación fotovoltaica puede provocar que toda la tensión del panel fotovoltaico se aplique al polo no defectuoso del DPS, lo que genera una sobrecarga. Las altas tensiones permanentes aplicadas a los DPS, formados por varistores de óxido metálico, pueden causar la destrucción o la activación del dispositivo de desconexión. En las instalaciones fotovoltaicas con altas tensiones del sistema, no puede descartarse que, en el peor de los casos , al activar el dispositivo de desconexión se incendie. debido al arco voltaico producido. Tampoco los dispositivos de protección de sobrecorriente antepuestos (fusibles) son una solución para estos casos, ya que la corriente de cortocircuito del panel fotovoltaico solo es ligeramente más alta que la corriente nominal. Hoy en día se realizan cada vez más instalaciones fotovoltaicas con tensiones de sistema de aproximadamente 1.000 V DC que minimizan las pérdidas energéticas.
Imagen 2: Instalación de edificio con protección pararrayos exterior y respetando la distancia de separación
La conexión en estrella (o en Y), formada por tres varistores, ha demostrado su fiabilidad y se ha consolidado como un cuasiestándar (imagen 4) a la hora de asegurar que los DPS puedan controlar estas altas tensiones de sistema. Ante un defecto de aislamiento, todavía siguen funcionando dos varistores conectados en serie que, de manera eficaz, evitan que el DPS se sobrecargue. Imagen 3: Instalación en el campo con protección pararrayos exterior
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Resumiendo, se puede afirmar que de esta forma se puede conseguir un circuito de protección sin ninguna corriente de fuga e impedir la activación indeseada del dispositivo de desconexión. Esto a su vez evita de manera eficaz la posibilidad de fuego antes descrita. Al mismo tiempo también se impiden los efectos de un dispositivo de monitorización del aislamiento. Es decir, si se produce un defecto de aislamiento, sigue habiendo dos varistores conectados en serie. Se cumple así el requisito imprescindible de impedir los fallos a tierra. A este fin, con el descargador con DPS del tipo II VPU II 3 1.000 V DC hasta el modo UCPV +/–, –/PE, +/PE = 1.000 V DC, Weidmüller ofrece una solución perfeccionada y práctica; es decir, este producto está homologado según todas las normas actuales (UTE C 61-740-51 y prEN 50539-11) (imagen 4). Ofrecemos así un máximo nivel de seguridad para las aplicaciones en circuitos DC.
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Convertidores DC Panel solar
Uoc < 1000 Vc
AC Defecto de aislamiento hacia PE
U
U MOV
MOV
U MOV = Varistor de óxido metálico
MOV
Imagen 4: Circuito de protección en Y con tres varistores
Aplicaciones prácticas Como ya hemos visto, en la práctica se distingue entre las instalaciones en edificios y en el campo. Si existe una protección pararrayos exterior, el panel fotovoltaico deberá integrarse preferentemente en esta como dispositivo captador aislado. Se debe respetar la distancia de separación según IEC 62305-3 (VDE 0185-305-3). Si no es posible respetar esta distancia, se deben tener en cuenta posibles corrientes parciales de rayo. La norma de protección contra rayos IEC 62305-3 (VDE 0185-305-3), suplemento 2, dispone a este respecto en su sección 17.3: „Deben utilizarse cables apantallados para las líneas principales del generador a fin de reducir las sobretensiones inducidas.“ Cuando tenga una sección suficiente (mínimo 16 mm² Cu), el apantallamiento del cable también puede utilizarse para conducir las corrientes parciales de rayo. También en la hoja informativa [5] —Protección contra rayos en instalaciones fotovoltaicas— del ABB (Comité para la protección y la investigación contra rayos del VDE) se estipula que deben apantallarse las líneas principales del generador. Esto significa que no se requieren descargadores pararrayos (DPS tipo I), aunque sí son igualmente necesarios descargadores de sobretensión (DPS tipo II) en ambos lados. Como se ilustra en la imagen 5, una línea principal del generador apantallada constituye una solución práctica con la que se consigue el estado LPZ 1. De este modo, se instalan descargadores con DPS del tipo II según las especificaciones de la norma.
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Imagen 5: Instalación de edificio con protección pararrayos exterior, sin distancia de separación
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Soluciones listas para instalar
VPU II 3 1000 V DC PV
Para realizar los montajes lo más fáciles posible en la práctica, Weidmüller ofrece soluciones listas para instalar para la protección de los lados DC y AC del inversor. Las cajas fotovoltaicas de enchufar y usar (Plug-and-play) reducen los tiempos de instalación. A petición, Weidmüller también realiza ensamblajes según las especificaciones del cliente. Más material informativo en www.weidmueller.com
• Un descargador de protección de sobretensión de 1.000 V para utilizar en el lado DCz Encontrará más información en el capítulo C.
Nota: Se deben tener en cuenta las normas y directivas específicas del país. Literatura [1] D IN VDE 0100 (VDE 0100) parte 712: 200606 Requisitos para plantas de producción, salas e instalaciones de tipo especial – Sistemas de alimentación fotovoltaicos (FV) [2] D IN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) 2006-10: Protección contra rayos. Parte 3: Protección de edificios y personas; Suplemento 2: Diseño según el tipo de protección y nivel de riesgo LPL III; suplemento 5: protección contra rayos y sobretensiones para sistemas de alimentación fotovoltaicos [3] D irectiva VdS 2010: 2005-07: Protección contra rayos y sobretensiones orientada al riesgo; directiva sobre prevención de daños, VdS Schadenverhütung Verlag [4] DIN EN 61643-11 (VDE 675-6-11): 2007-08: Protección de sobretensión para la baja tensión. Parte 11: Dispositivos de protección contra las sobretensiones conectados a instalaciones de baja tensión – Requisitos de funcionamiento y métodos de ensayo [5] IEC 62305-3: Protección contra el rayo. Parte 3: Daño físico a estructuras y riesgo humano [6] IEC 62305-4: Protección contra el rayo. Parte 4: Sistemas eléctricos y electrónicos en estructuras [7] p rEN 50539-11: Pararrayos de baja tensión. Pararrayos para aplicaciones específicas incluyendo c.c. Parte 11: Requisitos y ensayos para pararrayos de aplicaciones fotovoltaicas [8] N orma de producto francesa UTE C 61-740-51 relativa a la protección contra sobretensiones en el lado DC
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VPU II 4 280 V / 40 kA • 230/400 V Descargador de protección contra sobretensiones • Adecuado para la red eléctrica TN-C-S • Alta absorción de energía, Imax: 40 kA por disco Encontrará más información en el capítulo C..
VPU-I-LCF-Serie • „Descargador combinado de protección contra rayos y sobretensión“ de 230/400 V, sin corriente de fuga • Versión de 1 polo • Alta absorción de energía • Posibilidad de conexión de conductor en V Encontrará más información en el capítulo C.
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Protección de sobretensión para aplicaciones fotovoltaicas
Ejemplo de aplicación fotovoltaico
Utilización modular de nuestros componentes de protección de sobretensión En caso de que en su edificio ya exista un sistema de protección pararrayos, éste tiene que colocarse en el punto más alto de toda la instalación. Todos los módulos y conductores de la instalación fotovoltaica deben instalarse bajo el dispositivo de captación. Se deben mantener distancias de separación mínimas de 0,5 m hasta 1 m (según el análisis de riesgo de la norma IEC 62305-2).
Además, el sistema de protección pararrayos exterior del tipo I (lado AC) requiere la instalación de un descargador pararrayos del tipo I en la alimentación eléctrica del edificio. Si no se dispone de un sistema de protección pararrayos, será suficiente utilizar descargadores del tipo II (lado AC).
Cable de protección
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> 0,5 m hasta 1 m > 0,5 m hasta 1 m
Caja de conexiones para generadores Generador fotovolt.
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Punto de consumo crítico
1*
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el ondulador
(Muestra de un ejemplo sin riesgo)
1 VPU II 3 1000 V DC PV Conexión en Y 1* VPU II 3 1000 V DC PV Con una gran distancia > 10 m entre el panel fotovoltaico y el inversor
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2 VPU II 4 280 V / 40 kA Con una gran distancia > 10 m entre el panel fotovoltaico y el suministro eléctrico doméstico 3 VPU-I-LCF-Serie Para instalación de protección pararrayos
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