Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica

Protección y seguridad

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Grupos fundamentales de acuerdo a su localización en el sistema

Acometida

 Protección en el generador FV

Interruptor FV

 Protección en el inversor Interruptor de servicio

 Protección en el lado de CA Cargas domésticas

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Protecciones en el generador FV

3

Protecciones en el generador FV Las protecciones pueden ser de tipo preventivo para eliminar las posibles causas de falla; o pueden estar diseñadas para detectar y eliminar fallas en caso de que las causas sean difíciles de eliminar (i. e. descargas atmosféricas)

Características particulares de los generadores FV:  Se comportan como fuentes de corriente en situaciones de falla. La

corriente de cortocircuito es apenas ligeramente superior a la corriente de máxima potencia  El voltaje de salida está presente aún cuando el generador está

desconectado. No se pueden interrumpir fácilmente corrientes de fuga (debido a fallas o defectos) durante el día  El voltaje máximo es alcanzado con niveles bajos de insolación. Existe el

riesgo de descargas eléctricas con bajos niveles de radiación  Pueden mantener arcos eléctricos por tiempo prolongado en caso de

fallas de aislamiento. Éstos pueden provocar incendios en los sistemas FV  Al estar expuestos al medio ambiente (i.e. humedad, esfuerzos por cargas

de viento, vibración, dilataciones y contracciones térmicas, químicos, y descargas atmosféricas) agrava la posibilidad de fallas en el aislamiento o falsos contactos 4

Tipos de fallas en generadores FV

TIPO DE FALLA Falla a tierra

CAUSAS

CONSECUENCIAS Posibles: descarga eléctrica, arcos, fuego, corriente inversa en módulos, sobrecorrientes y pérdida de potencia.

Cortocircuito

Deterioro de aislamiento (i.e. rayos UV, humedad, calor, sobrevoltajes, envejecimiento, químicos), daño al instalar, mala instalación. Cable suelto en caja de conexiones, abrasión, roedores, etc.

Circuito abierto

Mala instalación, componentes inadecuados, fatiga por ciclos térmicos o vibración.

Pérdida de potencia, posibles arcos eléctricos y fuego.

Sobrevoltaje inducido

Descargas atmosféricas.

Posibles daños a componentes, particularmente a equipos electrónicos

Sobrevoltaje directo

Descargas atmosféricas directas.

Daños al generador y equipos electrónicos.

Sombreado

Cell mismatch, celdas defectuosas, basuras, aves, localización inapropiada.

Generación de puntos calientes y posible destrucción del módulo.

Pérdida de potencia, posibles arcos y fuego, por consiguiente, daño al sistema de CD.

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Diodos de bloqueo Función:  Proteger a los módulos vs. corriente inversa en caso de falla a tierra en el generador FV  Proteger el cableado de CD contra sobrecorriente Circuitos serie n

2

1

(n-1) Isc

Módulo "X"

Curva I-V de n-1 circuitos combinados Isc

Curva I-V del módulo "X"

Voc del arreglo después de la falla a tierra Potencia disipada en el módulo "X"

(a)

- (n-1) Isc

(b)

Falla a tierra en un generador FV aterrizado, sin diodos de bloqueo: a) Diagrama del generador, b) Potencia disipada en el módulo “X”. 6

Diodos de paso (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 módulo dependiendo de su capacidad

Dispositivos de sobrecorriente Función:  Proteger el generador FV contra sobrecorriente  Interruptores termomagnéticos: Además de proteger al circuito proveen los medios de

desconexión  Dispositivos de desconexión con portafusibles integrado Requerimientos:  Deben estar especificados para uso en circuitos de CD  Su calibración nominal debe ser entre 125% y 150% de la corriente de cortocircuito  Capacidad de voltaje apropiada  Preferentemente usar dispositivos con retraso de tiempo para evitar desconexiones por sobrecorrientes transitorias  Capacidad interruptiva adecuada Fusibles en los circuitos serie: Son una protección de respaldo contra fallas a tierra en caso de que algún diodo de bloqueo esté en corto. Siempre es conveniente instalar fusibles en cada rama sin importar el número de ellas en paralelo. 7

Localización de fusibles y diodos de bloqueo

GENERADOR FOTOVOLTAICO

GENERADOR FOTOVOLTAICO

Medidores de energía e interruptor manual accesibles a la compañía

kWh

kWh

Medidores de energía e interruptor manual accesibles a la compañía

kWh

Monitor de aislamiento

RED

Detector de falla a tierra

Punto de interconexión Interruptor general del inmueble

+ v f Aislamiento Temperatura Sobrecorriente

kWh

kWh

kWh RED

Punto de interconexión

Caja de conexión y protecciones del generador

Interruptor general del inmueble

+ v f Aislamiento Temperatura Sobrecorriente

Cargas locales (residenciales)

Generador FV aterrizado

Cargas locales (residenciales)

Generador FV flotante

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Puesta a tierra de los equipos

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 (i.e. gabinetes, estructuras, etc.) deben estar sólidamente conectadas a tierra, formando una malla equipotencial. El sistema de tierras de los equipos debe ser el mismo que el del sistema de CD si este último está aterrizado

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Puesta a tierra del sistema Función:    

Reducir el daño a equipos por voltajes inducidos Estabilizar el voltaje del sistema Facilitar la detección y eliminación de las corrientes de falla Reducir los efectos de la IEM

La puesta a tierra del sistema de CD es un tema controversial, la mayoría de las normas y los códigos eléctricos permiten ambos modos de operación del sistema FV (flotante y aterrizado), siempre y cuando el nivel de protección sea el mismo En EU la mayoría de los sistemas son aterrizados, mientras que en Europa la mayoría son flotantes.

 Configuraciones básicas posibles:  Sistemas 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)

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Detección de fallas en el arreglo

Un mecanismo de falla en un arreglo FV es la evolución de corrientes de fuga (que no puede disparar un fusible) debidas a mala instalación o defectos de aislamiento hasta llegar al nivel de falla. El proceso de formación de un arco eléctrico puede tomar años Los cortocircuitos son detectables por el control del inversor a través del monitoreo del voltaje o por la pérdida 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

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Seguridad de las personas Las descargas eléctricas pueden provocar movimientos involuntarios que pueden producir caídas y otras lesiones

Sistemas flotantes:  Teóricamente no existe el riesgo de descarga eléctrica si se toca uno de los conductores y

tierra puesto que no existe un camino para la corriente.  Sin embargo, normalmente existen caminos de fuga que tienen el efecto de formar una

conexión resistiva entre el generador y tierra. Este camino resistivo puede causar descargas eléctricas al personal de mantenimiento.  Asimismo, existen capacitancias parásitas entre generador y tierra que pueden provocar una

descarga capacitiva aún cuando no existan fugas a tierra.  El uso de sistemas flotantes y equipos con aislamiento clase II reduce considerablemente los

riesgos asociados con corrientes de fuga y capacitancias, haciéndolos bastante seguros Sistemas aterrizados:  Representan mayores riesgos al personal de servicio porque alrededor del arreglo hay gran

cantidad de 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

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Seguridad contra incendio El riesgo de incendios deriva de la posibilidad de que se produzcan arcos eléctricos. El proceso de formación de un arco eléctrico en un arreglo FV está relacionado con las corrientes de fuga

 Los sistemas de detección de falla deben deshabilitar el generador e interrumpir el camino de

la corriente para evitar la formación del arco eléctrico  Un cortocircuito tiene las mismas probabilidades de producir un arco en sistemas aislados o

aterrizados Sistemas flotantes:  Se deben presentar dos fallas a tierra para que exista la posibilidad de formación de un 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  Paral 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 13

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

 Los sistemas aterrizados confieren mayor protección a los equipos porque el voltaje es más

estable y los sobrevoltajes inducidos son mejor atenuados  Los sistemas flotantes presentan menos riesgo de incendio por arcos eléctricos  Respecto a la seguridad de las personas, los sistemas flotantes con aislamiento clase II y

bajo voltaje son la mejor opción  En estaciones centrales no es conveniente el empleo de voltajes pequeños de CD debido al

incremento en las pérdidas por conducción, así mismo, el uso de módulos FV y equipos con doble aislamiento puede disparar los costos  Aterrizar arreglos grandes en el punto medio del voltaje disminuye a la mitad el potencial

máximo con respecto a tierra de los módulos, y con ello el riesgo de arcos eléctricos por alto voltaje y envejecimiento del aislamiento

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Aislamiento clase II Esta especificación implica que los componentes eléctricos deben soportar un voltaje de prueba determinado en función del voltaje nominal. Representa también mayor resistencia a factores como degradación y abrasión

Actualmente existen en el mercado:  Módulos FV  Cables conductores y  Conectores y cajas de conexión que cumplen esta especificación

 Su uso reduce considerablemente las posibilidades de falla de aislamiento durante la vida

útil del sistema, y todas sus consecuencias (i.e. fallas a tierra,corto circuitos, arcos, etc.)  Evita el uso de diodos de bloqueo y fusibles. Lo que se compensa parte de los costos

adicionales del equipo  El uso de módulos y componentes con doble aislamiento puede ser recomendable en

sistemas residenciales. No en estaciones centrales

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Bajo voltaje en el sistema de CD Para propósitos de seguridad, el voltaje del generador FV es el voltaje de circuito abierto y no el voltaje de operación

 La norma IEC 364 establece un voltaje máximo de circuito abierto para sistemas

residenciales de 120 VCD  El NEC (artículo 690-7) especifica un voltaje máximo de 600 VCD para cualquier tipo de

instalación sin necesidad de utilizar equipos o medidas de seguridad especiales

 Restringir el voltaje de circuito abierto del sistema es una medida de protección contra

contacto indirecto  Reduce la magnitud de una descarga eléctrica y disminuye el estrés en el aislamiento y la

probabilidad de fallas del mismo  La desventaja de operar con bajo voltaje es el aumento de pérdidas por conducción

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Protección contra sobrevoltaje

El sobrevoltaje en el sistema de CD de un generador FV es generado por descargas atmosféricas (rayos). Las protecciones están diseñadas principalmente para proteger a los equipos, sin embargo la seguridad de las personas se incrementa al implementarlas

Mecanismos que producen el sobrevoltaje:

 El acoplamiento inductivo  El acoplamiento capacitivo y  El acoplamiento conductivo

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Acoplamiento inductivo Cuando el pico de corriente que produce una descarga es conducido por el sistema interceptor de rayos, la corriente de descarga produce voltajes inducidos en las espiras conductoras que se forman con el cableado del generador FV. La magnitud del voltaje inducido guarda una relación directa con el área de la espira e inversa con la distancia entre la corriente y ésta

Medidas de prevención de daños: 

Instalar el arreglo FV lejos del conductor del sistema interceptor de rayos, si existe

 Evitar que el cableado del arreglo forme lazos conductores de gran área. Alambrar

los polos de cada circuito dentro de un mismo ducto  Maximizar la sección transversal de las estructuras metálicas que soportan el arreglo  Usar cables con malla metálica (blindados) para el circuito de salida del arreglo o

subarreglo  Usar varistores a la salida del arreglo y al final de la línea

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Acoplamiento inductivo

CAJA DE CONEXIONES DEL GENERADOR

CAJA DE CONEXIONES DEL GENERADOR

(a)

(b)

Cableado de un circuito fuente en un arreglo FV: a) Incorrecto; b) Correcto

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

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

Medidas para reducir los efectos del acoplamiento: 

Instalar el arreglo FV lo más cerca posible del sistema de tierras

 Instalar varistores para proteger el equipo electrónico de acuerdo con su

sensibilidad a los sobrevoltajes  Aterrizar sólidamente las estructuras y marcos metálicos de los módulos

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Acoplamiento conductivo El acoplamiento conductivo ocurre debido a las caídas de voltaje cuando parte de la corriente de descarga fluye por cables, conexiones a tierra o la tierra del sistema

Medidas para disminuir sus efectos:



Aterrizar marcos y estructuras correcta y consistentemente (formar mallas)

 Si existe un sistema interceptor (pararrayos), el sistema de tierras debe estar

integrado al cable de conducción de la corriente de descarga  Colocar varistores en las líneas de potencia y de señal  Colocar varistores en la línea de CA para proteger el inversor  Los cables de conexión con tierra de los varistores y las mallas de los cables de

potencia deben ser lo más cortos posible

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Conclusiones



Evitar la formación de lazos conductivos de gran área en el cableado del arreglo o subarreglos

 Instalar el campo FV lo más alejado posible del cable conductor de la corriente de

descarga si hay sistema pararrayos  Para proteger la caja de conexiones del arreglo o subarreglo se pueden usar

varistores. La corriente nominal de los varistores debe ser de 10 kA  Si el cable tiene malla protectora (blindado) se pueden usar dispositivos de

menor capacidad  Si los conductores de salida son muy cortos se puede omitir el empleo de

varistores  La conexión a tierra de los varistores debe estar al mismo potencial que los marcos,

estructuras metálicas y el cable de conducción de descargas, si existe

Continúa…

22

Continuación…

Conclusiones

 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 pararrayos  Si hay sistema de intercepción, usar dispositivos de 10 kA cuando el cable

no tenga malla de protección. Si el cable tiene malla usar elementos de 5 kA  Usar supresores de picos en la línea de CA para proteger la salida del inversor  Normalmente en instalaciones residenciales no es necesario instalar pararrayos  La mayoría de los edificios cuentan con sistema de intercepción de rayos, al cual

se debe integrar el sistema de tierras del arreglo FV  En estaciones centrales se utilizan pararrayos sólo en zonas de alto riesgo o en

plantas de gran capacidad

23

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

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

 En sistemas flotantes con transformador de aislamiento  Un monitor de aislamiento en el lado de CD que muestrea periódicamente la

resistencia de cada línea 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  Medir la rigidez dieléctrica del aislamiento entre conductores, y entre cada conductor

y tierra, de manera periódica como práctica de mantenimiento preventivo

 En sistemas aterrizados, sin transformador  Un detector de fuga a tierra (o dispositivo de corriente residual)

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

 Interruptor para el circuito de salida del generador (interruptor principal de CD)  Accesible, aislado e indicando la posición en que se encuentra  Si está energizado por más de una fuente se debe indicar en el tablero que existen

partes vivas en ambos lados  Medios de desconexión para equipos de acondicionamiento de potencia

(inversor, filtros)  Si el equipo está energizado por más de una fuente, los disyuntores e interruptores

deben estar debidamente identificados  Medios de desconexión para fusibles en ambos extremos  Medios para deshabilitar el arreglo en caso de mantenimiento. El manual del NEC

propone tres alternativas:  Cortocircuitar todos los circuitos del arreglo con interruptores o conectores  Dividir el arreglo en segmentos con voltajes no peligrosos mediante interruptores o

disyuntores  Cubrir el arreglo de la luz

En sistemas flotantes se deben proveer medios de desconexión para ambos polos de los circuitos de CD que conforman el generador FV 25

Selección de componentes e instalación Selección:  Los componentes utilizados en el sistema FV deben cumplir con las normas de la

industria eléctrica para tal propósito  El cableado debe estar correctamente dimensionado considerando las

condiciones de temperatura a la que va a estar sometido  Dimensionar el calibre de los conductores de conexión de cada rama para soportar la

corriente total de cortocircuito  El aislamiento debe ser resistente a la humedad y a los rayos UV  Los conectores y cajas de conexión deben ser a prueba de cortocircuitos y falsos

contactos  Deben ser polarizados y no intercambiables con receptáculos eléctricos de otras

instalaciones eléctricas en el inmueble  Su construcción e instalación debe proteger a las personas contra contacto accidental con conductores “vivos” (aislamiento)  Deben tener un mecanismo para evitar que se desconecten o se zafen  Deben tener la capacidad de interrumpir la corriente del circuito sin riesgos al operador

Prácticas de instalación :  Se deben seguir los lineamientos del fabricante para evitar daños a los

componentes durante la instalación (módulos, cajas de conexión, etc.)  Los conductores que entran en una caja de conexión deben quedar mecánicamente

sujetos a la misma para evitar arcos en caso de una conexión floja o dañada 26

Protecciones en el inversor

27

Protecciones en el inversor Funciones de protección encaminadas a evitar daños y riesgos en el sistema de potencia

 Protección contra operación en modo isla (Islanding)  Es una de las protecciones obligadas para evitar riesgos al personal de la compañía

suministradora, daños a otros usuarios por alimentar cargas con voltaje y frecuencia inapropiados, y finalmente daños al inversor mismo por una posible reconexión no sincronizada  Respuesta a fallas en el alimentador  Los generadores FV son fuentes de corriente, lo que limita su contribución a las

corrientes de falla  Los relevadores de voltaje y frecuencia son los principales medios de detección y desconexión del sistema FV en caso de disturbios en la red ocasionados por fallas  Control del FP  Es una forma indirecta de protección a los equipos de la red y sus usuarios  Todos los inversores conectados a la red deben tener control de su FP Continúa… 28

Continuación…

Protecciones en el inversor  Control de emisión de armónicos  Es otra forma indirecta de protección a los usuarios de la red y a los equipos del

sistema de potencia  La distorsión de voltaje causada por corrientes armónicas inyectadas a la red puede provocar problemas de operación a equipos sensibles a la detección de cruces por cero y por sobrevoltajes peligrosos, entre otras cosas 

Protección contra inyección de CD en la red

 Se logra a través de un transformador de aislamiento. Que puede ser parte integral

del inversor o conectarse de manera externa; y puede ser de alta o baja frecuencia  Control de emisiones de radio frecuencia (IEM)  Esta es una protección a los sistemas de comunicación propios del sistema de

potencia, a otros sistemas de comunicación, y equipos sensibles al ruido próximos al inversor  Protecciones propias del inversor  Funciones de protección encaminadas a protegerse a sí mismo de situaciones

anormales en ambos lados, el sistema de CD y la red

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Protecciones en el inversor Funciones de protección encaminadas a protegerse a sí mismo de situaciones anormales en ambos lados, el sistema de CD y la red  Protección contra sobrevoltajes  Supresores de picos de voltaje o varistores en sus terminales de entrada y de salida  Protección contra sobrecarga  Sensor de temperatura y su circuito de desconexión asociado  Desplazando el punto de operación del generador FV del punto de máxima potencia

(PMP) cuando su potencia de salida excede la capacidad del inversor  Protección contra corrientes de falla  El inversor debe ser capaz de interrumpir las corrientes de falla provenientes de la red

hacia el generador FV  Protección contra fallas en el lado de CD  Un diodo entre las terminales positiva y negativa (antes del filtro LC) contra cambios

de polaridad del voltaje de entrada en inversores conmutados por línea  Detección de fallas de aislamiento y corto circuito en el generador FV Es importante que las funciones de protección del inversor sean probadas con cierta frecuencia para garantizar su correcto funcionamiento 30

Protecciones en el lado de CA

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Protecciones en el lado de CA Algunas compañías suministradoras exigen que ciertas funciones de protección que usualmente se incluyen en el inversor sean implementadas de manera externa  Interruptor de CA / protección contra cortocircuito  Indispensable para mantenimiento del sistema, desconexión en caso de falla tanto en red

como en los elementos del sistema FV, y para evitar pérdidas por la corriente de magnetización en inversores con transformador de baja frecuencia por la noche  Dispositivo de accionamiento automático  Medio de desconexión manual  Es un requisito que algunas compañías suministradoras establecen para la interconexión de

generadores FV en sus líneas de alimentación  Algunas compañías en los EUA consideran el medidor de energía como un medio de desconexión válido porque es fácilmente removible  La norma IEEE 1001 reconoce las dificultades potenciales con múltiples sistemas interconectados y sugiere que un método confiable de desconexión automática que cumpla los lineamientos de seguridad sería preferible  Punto de interconexión de sistemas residenciales  En el lado de la línea del interruptor de servicio de la acometida normal sin ninguna

restricción  En el lado de la carga del interruptor de servicio siempre y cuando: • Los interruptores que pueden ser alimentados con corriente en sentido inverso estén

especificados para tal operación. Se debe señalar que están energizados por ambos lados 32

Punto de interconexión en un sistema residencial

Acometida

Acometida

Interruptor FV

Interruptor FV

Interruptor de servicio Interruptor de servicio

Cargas domésticas (a)

Del lado de la línea

Cargas domésticas (b)

Del lado de la carga

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Normas y regulaciones para sistemas FV  Normas específicas sobre sistemas FV    

Sistemas FV terrestres. Interconexión de sistemas FV con la red. Protección y seguridad. El equipo de acondicionamiento de potencia (inversores).



Normas sobre sistemas eléctricos de potencia aplicables a sistemas FV

   

Calidad del suministro / disturbios en la red. Cogeneración. Convertidores estáticos. Protección y seguridad.



Códigos eléctricos, especificaciones y normas no oficiales

 Códigos eléctricos, guías técnicas, normas no oficiales y reportes • Desarrollados por instituciones académicas y de investigación, compañías

suministradoras, organismos gubernamentales y otras asociaciones

Las normas IEC (Internacional Electrotechnical Commission) y las IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) son aceptadas internacionalmente y su aplicación es común en México 34

Referencias normativas para México

 La Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-1999, Instalaciones

Eléctricas (utilización); Artículo 690 - Sistemas Fotovoltaicos

 La especificación CFE L0000-02 para el suministro de tensión

 La especificación provisional CFE L0000-45 para perturbaciones en

la red

 IEC 1173 (1992) “Overvoltage Protection for Photovoltaic (PV)

Power generating Systems – Guide”

 Especificación Técnica para Sistemas FV (≤25 kWp)

Desarrollada por el IIE para la instalación de sistemas FV conectados a la red de baja tensión del Sistema Eléctrico Mexicano

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