Selección de dispositivos de protección contra sobretensións para sistemas fotovoltaicos: tipos de SPD
A xeración de enerxía fotovoltaica (FV) é unha fonte clave de enerxía renovable e é moi competitiva economicamente en comparación coa xeración de enerxía tradicional. Os pequenos sistemas FV distribuídos, como os paneis solares nos tellados, son cada vez máis populares. Os sistemas FV nos tellados inclúen distribución tanto de CA como de CC con tensións que alcanzan os 1500 V. O lado de CC, especialmente os paneis FV, pode estar directamente exposto aos raios en zonas de alto risco, o que os fai vulnerables aos danos causados polos raios.
A protección contra os raios para edificios divídese en protección externa (Sistema de protección contra os raios, LPS) e protección interna (Medidas de protección contra sobretensións, SPM), segundo o risco de raios. Os dispositivos de protección contra sobretensións (DPS), como parte da protección interna, protexen contra as sobretensións transitorias causadas por raios atmosféricos ou operacións de conmutación. Os DPS instálanse fóra do equipo protexido e funcionan principalmente do seguinte xeito: cando non hai sobretensións no sistema de alimentación, o DPS non afecta significativamente o funcionamento normal do sistema que protexe. Cando se produce unha sobretensión, o DPS ofrece unha baixa impedancia, desviando a corrente de sobretensión a través de si mesmo e limitando a tensión a un nivel seguro. Unha vez que pase a sobretensión e desapareza calquera corrente residual, o DPS volve a un estado de alta impedancia.
1. A localización da instalación dos dispositivos de protección contra sobretensións (SPD)
A localización da instalación dos SPD determínase segundo o grao de ameaza dos raios e segundo o concepto de Zonas de Protección contra Raios (ZPL) da norma IEC 62305. As sobretensións transitorias redúcense progresivamente a un nivel seguro, que debe estar por debaixo da tensión soportada do equipo protexido. Como se ilustra na Figura, os SPD instálanse nos límites destas zonas, o que dá lugar ao concepto de protección contra sobretensións multinivel utilizada en sistemas de baixa tensión. Para os sistemas fotovoltaicos, o obxectivo é evitar que as sobretensións dos raios entren polos lados de CA e CC, protexendo así os compoñentes críticos como os inversores.
2. Clases de proba de dispositivos de protección contra sobretensións (SPD)
Segundo a norma IEC 61643-11, os SPD clasifícanse en tres categorías de proba segundo o tipo de impulso de corrente de raio que están deseñados para soportar. As probas de tipo I (marcadas como T1) pretenden simular correntes de raio parciais que poden conducirse a un edificio. Estas usan unha forma de onda de 10/350 µs, como se mostra na Figura 1, e aplícanse normalmente no límite entre a zona de descarga LPZ0 e a zona de descarga LPZ1, como nos cadros de distribución principais ou nas entradas de transformadores de baixa tensión. Os SPD para este nivel adoitan ser do tipo de conmutación de tensión, con compoñentes como tubos de descarga de gas ou chispas (por exemplo, chispas de bucina ou de grafito).
As probas de tipo II (T2) e tipo III (T3) empregan impulsos de menor duración. Os SPD de tipo II adoitan ser dispositivos limitadores de tensión que empregan compoñentes como varistores de óxido metálico (MOV). Próbanse cunha corrente de descarga nominal empregando unha forma de onda de corrente de 8/20 µs (véxase a figura de sopro) e son responsables de limitar aínda máis a sobretensión residual procedente do dispositivo de protección augas arriba. As probas de tipo III empregan un xerador de ondas combinado cunha tensión de 1,2/50 µs e un impulso de corrente de 8/20 µs (véxase a figura seguinte), simulando sobretensións máis preto do equipo de uso final.
3. Tipo de conexión do dispositivo de protección contra sobretensións (SPD)
Hai dous modos principais de protección contra sobretensións transitorias. O primeiro é a protección en modo común (CT1), que está deseñada para protexer contra sobretensións entre condutores vivos e PE (terra de protección). Os raios, por exemplo, poden introducir altas tensións en relación coa terra nun sistema. A protección en modo común axuda a mitigar o impacto destas perturbacións externas, como os raios, como se ilustra a continuación.
A segunda é a protección en modo diferencial (CT2), que protexe contra as sobretensións entre o condutor de liña (L) e o condutor neutro (N). Este tipo de protección é especialmente importante para abordar as perturbacións internas, como o ruído eléctrico ou as interferencias xeradas dentro do propio sistema, como se mostra no diagrama seguinte.
Ao implementar un ou ambos destes modos de protección, os sistemas eléctricos poden estar mellor protexidos de posibles fontes de sobretensións, o que en última instancia mellora a lonxevidade e a fiabilidade dos equipos conectados.
É importante ter en conta que a selección dos modos de protección SPD debe aliñarse co sistema de posta a terra vixente. Para os sistemas TN, pódense usar tanto os modos de protección CT1 como CT2. Non obstante, nos sistemas TT, CT1 só se pode aplicar augas abaixo dun RCD. Nos sistemas IT, especialmente aqueles sen condutor neutro, a protección CT2 non é aplicable. Esta é unha consideración fundamental nos sistemas de distribución de CC que usan configuracións de posta a terra IT. Os detalles pódense atopar na táboa seguinte.
4. Parámetros clave dos dispositivos de protección contra sobretensións (SPD)
Segundo a norma internacional IEC 61643-11, defínense as características e as probas dos SPD conectados a sistemas de distribución de enerxía de baixa tensión, como se mostra na Figura 7.
(1) Nivel de protección de tensión (arriba)
O aspecto máis importante á hora de seleccionar un SPD é o seu nivel de protección contra a tensión (Up), que caracteriza o rendemento do SPD á hora de limitar a tensión entre os terminais. Este valor debe ser superior á tensión máxima de suxeición. Alcánzase cando a corrente que flúe a través do SPD é igual á corrente de descarga nominal In. O nivel de protección contra a tensión seleccionado debe ser inferior á tensión soportada por impulsos Uw da carga. No caso de raios, a tensión nos terminais do SPD xeralmente mantense por debaixo de Up. Para os sistemas fotovoltaicos de corrente continua, a carga adoita referirse aos módulos fotovoltaicos e aos inversores.
(2) Tensión máxima de funcionamento continuo (Uc)
Uc é a tensión CC máxima que se pode aplicar continuamente ao modo de protección do SPD. Selecciónase en función da tensión nominal e da configuración de conexión a terra do sistema e serve como limiar de activación do SPD. Para o lado de CC dos sistemas fotovoltaicos, Uc debe ser maior ou igual á Uoc Max da matriz fotovoltaica. Uoc Max refírese á tensión de circuíto aberto máis alta entre os terminais activos e entre o terminal activo e a terra no punto designado da matriz fotovoltaica.
(3) Corrente de descarga nominal (en polgadas)
Este é o valor máximo dunha corrente de forma de onda de 8/20 μs que flúe a través do SPD, usado para probas de Tipo II e para probas de preacondicionamento en Tipo I e Tipo IIA norma IEC esixe que o SPD poida soportar polo menos 19 descargas de corrente de onda de 8/20 μs. Canto maior sexa o valor In, maior será a vida útil do SPD, pero o custo tamén aumenta.
(4) Corrente de impulso (Iimp)
Definida por tres parámetros: pico de corrente (Ipeak), carga (Q) e enerxía específica (W/R), esta corrente utilízase en Tipo I probas. A forma de onda típica é de 10/350 μs.