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Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red

Eléctrica

Protección y seguridad

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Protección en el generador FV

Protección en el inversor

Protección en el lado de CA

Grupos fundamentales de acuerdo a su localización en el sistema

Cargasdomésticas

Interruptorde servicio

Acometida

InterruptorFV

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Protecciones en el generador FV

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Protecciones en el generador FV

Características particulares de los generadores 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)

Se comportan como fuentes de corriente en situaciones de falla. Lacorriente de cortocircuito es apenas ligeramente superior a la corrientede máxima potencia

El voltaje de salida está presente aún cuando el generador estádesconectado. 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 elriesgo de descargas eléctricas con bajos niveles de radiación

Pueden mantener arcos eléctricos por tiempo prolongado en caso defallas de aislamiento. Éstos pueden provocar incendios en los sistemas FV

Al estar expuestos al medio ambiente (i.e. humedad, esfuerzos por cargasde viento, vibración, dilataciones y contracciones térmicas, químicos, y descargas atmosféricas) agrava la posibilidad de fallas en el aislamiento ofalsos contactos

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Tipos de fallas en generadores FV

Generación de puntos calientes y posible destrucción del módulo.

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

Daños al generador y equipos electrónicos.Descargas atmosféricas directas.Sobrevoltaje

directo

Posibles daños a componentes, particularmente a equipos electrónicosDescargas atmosféricas.Sobrevoltaje

inducido

Pérdida de potencia, posibles arcos eléctricos y fuego.

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

Circuito abierto

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

Cortocircuito

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

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.

Falla a tierra

CONSECUENCIASCAUSASTIPO DE FALLA

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Diodos de bloqueo

Circuitos serie

12n

(a)

Curva I-V de n-1 circuitoscombinados

Curva I-V del módulo "X"

Potencia disipadaen el módulo "X"

Voc del arreglodespués de lafalla a tierra

(n-1) Isc

Isc

- (n-1) Isc(b)

Módulo "X"

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

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

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Diodos de paso (Bypass)Función:

Proteger a los módulos FV de posibles “puntos calientes” debido a efectos de “sombreado” porbasuras, aves, celdas dañadas o defectuosas (cell mismatch). Se usan uno o dos por cada módulodependiendo de su capacidad

Dispositivos de sobrecorriente

Función:

Proteger el generador FV contra sobrecorriente

Interruptores termomagnéticos: Además de proteger al circuito proveen los medios dedesconexión

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.

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Localización de fusibles y diodos de bloqueo

Generador FV flotante

GENERADOR FOTOVOLTAICO

Medidores de energíae interruptor manual

accesibles a la compañía

kWh kWh kWhRED

Punto deinterconexión

Interruptorgeneral delinmueble

AislamientoTemperaturaSobrecorriente

vf

Detectorde fallaa tierra

Cargas locales(residenciales)

-+

Monitorde

aislamiento

fv

AislamientoTemperaturaSobrecorriente

GENERADOR FOTOVOLTAICO

+ -

Caja de conexióny proteccionesdel generador

GENERADOR FOTOVOLTAICO

Cargas locales(residenciales)

Interruptorgeneral delinmueble

Punto deinterconexión

REDkWhkWh

Medidores de energíae interruptor manual

accesibles a la compañía

kWh

Generador FV aterrizado

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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

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)

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.

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

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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

Sistemas flotantes:

Teóricamente no existe el riesgo de descarga eléctrica si se toca uno de los conductores ytierra puesto que no existe un camino para la corriente.

Sin embargo, normalmente existen caminos de fuga que tienen el efecto de formar unaconexión resistiva entre el generador y tierra. Este camino resistivo puede causar descargaseléctricas al personal de mantenimiento.

Asimismo, existen capacitancias parásitas entre generador y tierra que pueden provocar unadescarga capacitiva aún cuando no existan fugas a tierra.

El uso de sistemas flotantes y equipos con aislamiento clase II reduce considerablemente losriesgos asociados con corrientes de fuga y capacitancias, haciéndolos bastante seguros

Sistemas aterrizados:

Representan mayores riesgos al personal de servicio porque alrededor del arreglo hay grancantidad de partes metálicas con las que se puede cerrar el circuito y producir una descargaeléctrica.

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

Las descargas eléctricas pueden provocar movimientos involuntarios que pueden producir caídas y otras lesiones

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Seguridad contra incendio

Los sistemas de detección de falla deben deshabilitar el generador e interrumpir el camino dela corriente para evitar la formación del arco eléctrico

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 un arcoeléctrico.

La corriente total de fuga a tierra en el sistema no debe ser excesiva porque ello dificulta ladetección 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 arcoeléctrico

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. Ellorequiere de la localización precisa de la falla

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

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Conclusiones

Los sistemas aterrizados confieren mayor protección a los equipos porque el voltaje es másestable 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 ybajo voltaje son la mejor opción

En estaciones centrales no es conveniente el empleo de voltajes pequeños de CD debido alincremento en las pérdidas por conducción, así mismo, el uso de módulos FV y equipos condoble aislamiento puede disparar los costos

Aterrizar arreglos grandes en el punto medio del voltaje disminuye a la mitad el potencialmáximo con respecto a tierra de los módulos, y con ello el riesgo de arcos eléctricos por altovoltaje y envejecimiento del aislamiento

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

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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 vidaútil 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 costosadicionales del equipo

El uso de módulos y componentes con doble aislamiento puede ser recomendable ensistemas 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 deinstalación 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 laprobabilidad 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. Alambrarlos 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 osubarreglo

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

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Acoplamiento inductivo

(a) (b)

CAJA DE CONEXIONESDEL GENERADOR

CAJA DE CONEXIONESDEL GENERADOR

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

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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

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 susensibilidad a los sobrevoltajes

Aterrizar sólidamente las estructuras y marcos metálicos de los módulos

Acoplamiento capacitivo

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

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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 depotencia deben ser lo más cortos posible

Acoplamiento conductivo

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Conclusiones

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

Instalar el campo FV lo más alejado posible del cable conductor de la corriente dedescarga si hay sistema pararrayos

Para proteger la caja de conexiones del arreglo o subarreglo se pueden usarvaristores. La corriente nominal 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 devaristores

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…

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Conclusiones

Con respecto al inversor, se debe usar protección contra acoplamiento capacitivoen todos los casos

La capacidad de los varistores debe ser aproximadamente de 3 kA/kWpsi no existe sistema pararrayos

Si hay sistema de intercepción, usar dispositivos de 10 kA cuando el cableno 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 cualse debe integrar el sistema de tierras del arreglo FV

En estaciones centrales se utilizan pararrayos sólo en zonas de alto riesgo o enplantas de gran capacidad

Continuación…

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Detección de falla de aislamiento

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 conductory 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)

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

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Medios de desconexión

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 interruptoresdeben estar debidamente identificados

Medios de desconexión para fusibles en ambos extremos

Medios para deshabilitar el arreglo en caso de mantenimiento. El manual del NECpropone 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

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

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

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Selección de componentes e instalación

Los componentes utilizados en el sistema FV deben cumplir con las normas de laindustria eléctrica para tal propósito

El cableado debe estar correctamente dimensionado considerando lascondiciones de temperatura a la que va a estar sometido

Dimensionar el calibre de los conductores de conexión de cada rama para soportar lacorriente 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 otrasinstalaciones eléctricas en el inmueble

Su construcción e instalación debe proteger a las personas contra contacto accidentalcon 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

Selección:

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

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Protecciones en el inversor

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Protecciones en el inversor

Protección contra operación en modo isla (Islanding)

Es una de las protecciones obligadas para evitar riesgos al personal de la compañíasuministradora, daños a otros usuarios por alimentar cargas con voltaje y frecuenciainapropiados, y finalmente daños al inversor mismo por una posible reconexión nosincronizada

Respuesta a fallas en el alimentador

Los generadores FV son fuentes de corriente, lo que limita su contribución a lascorrientes de falla

Los relevadores de voltaje y frecuencia son los principales medios de detección ydesconexión 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

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

Continúa…

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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 delsistema de potencia

La distorsión de voltaje causada por corrientes armónicas inyectadas a la red puedeprovocar problemas de operación a equipos sensibles a la detección de cruces porcero 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 integraldel 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 depotencia, a otros sistemas de comunicación, y equipos sensibles al ruido próximos alinversor

Protecciones propias del inversor

Funciones de protección encaminadas a protegerse a sí mismo de situacionesanormales en ambos lados, el sistema de CD y la red

Continuación…

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Protecciones en el inversor

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 redhacia el generador FV

Protección contra fallas en el lado de CD

Un diodo entre las terminales positiva y negativa (antes del filtro LC) contra cambiosde 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

Funciones de protección encaminadas a protegerse a sí mismo de situacionesanormales en ambos lados, el sistema de CD y la red

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Protecciones en el lado de CA

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Protecciones en el lado de CA

Interruptor de CA / protección contra cortocircuito

Indispensable para mantenimiento del sistema, desconexión en caso de falla tanto en redcomo en los elementos del sistema FV, y para evitar pérdidas por la corriente demagnetización 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 degeneradores 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 sistemasinterconectados y sugiere que un método confiable de desconexión automática que cumplalos 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 ningunarestricción

En el lado de la carga del interruptor de servicio siempre y cuando:

• Los interruptores que pueden ser alimentados con corriente en sentido inverso esténespecificados para tal operación. Se debe señalar que están energizados por amboslados

Algunas compañías suministradoras exigen que ciertas funciones de protección que usualmente se incluyen en el inversor sean implementadas de manera externa

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Punto de interconexión en un sistema residencial

Del lado de la carga

InterruptorFV

Acometida

Interruptorde servicio

Cargasdomésticas

(a) (b)

Cargasdomésticas

Acometida

Interruptorde servicio

InterruptorFV

Del lado de la línea

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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 ofElectrical and Electronics Engineers) son aceptadas internacionalmente y su

aplicación es común en México

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Referencias normativas para México

La Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-1999, InstalacionesEléctricas (utilización); Artículo 690 - Sistemas Fotovoltaicos

La especificación CFE L0000-02 para el suministro de tensión

La especificación provisional CFE L0000-45 para perturbaciones enla 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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