¿Cómo integrar la protección contra sobretensiones tanto en el lado de corriente alterna (CA) como en el lado de corriente continua (CC) de un sistema fotovoltaico?

Integrando una dispositivo de Protección contra Sobrecargas integrar un sistema fotovoltaico no es simplemente cuestión de conectar un componente y seguir adelante. Requiere un enfoque deliberado, basado en ingeniería, que tenga en cuenta las características eléctricas únicas tanto del lado de corriente alterna (CA) como del lado de corriente continua (CC) de la instalación. Las sobretensiones inducidas por rayos, las sobretensiones debidas a maniobras de conmutación y las perturbaciones de la red pueden introducir picos de tensión destructivos que se propagan a través del sistema, dañando inversores, cajas de combinación, equipos de monitorización e incluso los propios módulos fotovoltaicos. Sin una colocación adecuada de los dispositivos de protección contra sobretensiones en ambos lados, un solo evento transitorio puede provocar tiempos de inactividad costosos y la necesidad de reemplazar equipos.

Este artículo describe detalladamente la lógica completa de integración para la implementación de dispositivos de protección contra sobretensiones tanto en el lado de la cadena y el campo fotovoltaico (DC) como en el lado de conexión a la red eléctrica (AC) de un sistema fotovoltaico. Ya sea que esté diseñando una instalación comercial sobre cubierta o un proyecto a gran escala de montaje en suelo, comprender dónde colocar cada dispositivo de protección contra sobretensiones, cómo seleccionar las especificaciones adecuadas y cómo cablear y mantener correctamente estos componentes es fundamental para garantizar la fiabilidad a largo plazo del sistema. Las recomendaciones aquí presentadas se basan en la ingeniería práctica de campo y están alineadas con las normas IEC 61643 e IEC 62305, que regulan la protección contra sobretensiones en entornos fotovoltaicos.

Comprensión de los riesgos de sobretensión en sistemas fotovoltaicos

Por qué los sistemas fotovoltaicos son particularmente vulnerables

Los sistemas fotovoltaicos están expuestos continuamente al entorno exterior, lo que los hace inherentemente vulnerables a los rayos y a los eventos de descarga atmosférica. Las largas extensiones de cable entre los campos fotovoltaicos y los inversores actúan como antenas, captando energía electromagnética inducida por descargas cercanas, incluso cuando no se produce un impacto directo. Esta energía inducida viaja como una sobretensión transitoria tanto por los cables de corriente continua (CC) provenientes de los módulos como por los cables de corriente alterna (CA) hacia el punto de conexión a la red.

En el lado de CC, la tensión en circuito abierto de una cadena fotovoltaica ya puede alcanzar varios cientos de voltios en condiciones estándar. Cuando un transitorio se superpone a esta tensión base, la sobretensión resultante puede fácilmente superar la capacidad de resistencia de las etapas de entrada del inversor y de los diodos de derivación, caja de conexiones componentes. En el lado de corriente alterna (CA), los eventos de conmutación de la red, las operaciones de bancos de condensadores y las fallas de la compañía eléctrica introducen sobretensiones de rápida subida que pueden dañar la etapa de salida del inversor y cualquier equipo de medición o comunicación conectado.

Un dispositivo de protección contra sobretensiones adecuadamente seleccionado e instalado en cada lado intercepta estas sobretensiones antes de que alcancen los equipos electrónicos sensibles. El dispositivo limita el voltaje a un nivel seguro y desvía la corriente de sobretensión a tierra, protegiendo así los equipos aguas abajo. Sin esta capa de protección, incluso una sobretensión moderada puede degradar el aislamiento, provocar disparos espurios o causar una falla inmediata de los componentes.

La naturaleza bidireccional de la exposición a sobretensiones en sistemas FV

Uno de los errores más comunes en la planificación de la protección contra sobretensiones en sistemas fotovoltaicos consiste en considerar que el sistema tiene únicamente un punto vulnerable. En realidad, las sobretensiones pueden entrar desde cualquiera de las dos direcciones: un evento de rayo cercano al campo fotovoltaico inyecta energía en el lado de corriente continua (CC), mientras que una perturbación en la red o la conmutación de cargas industriales cercanas inyecta energía desde el lado de corriente alterna (CA). Ambas vías deben protegerse de forma independiente, instalando un dispositivo de protección contra sobretensiones específico en cada ubicación.

El inversor se sitúa entre estos dos lados y es, en la mayoría de las instalaciones fotovoltaicas, el componente individual más costoso. También es el más vulnerable, ya que sus electrónicos de potencia operan cerca de sus límites de tensión durante el funcionamiento normal. Un dispositivo de protección contra sobretensiones en los terminales de entrada CC del inversor y otro en los terminales de salida CA crean una envoltura protectora alrededor de este componente crítico. Este enfoque de doble lado no es opcional para sistemas ubicados en zonas de alto riesgo de rayos ni para ninguna instalación en la que los costes derivados de tiempos de inactividad sean significativos.

Integración del dispositivo de protección contra sobretensiones en el lado de CC

Colocación en la caja combinadora de strings

La primera y más importante ubicación para un dispositivo de protección contra sobretensiones en el lado de CC es en el string caja combinadora , también denominada caja combinadora de CC o caja de conexión del campo fotovoltaico. Aquí es donde se reúnen múltiples strings fotovoltaicos antes de que la salida combinada de CC se dirija al inversor. Colocar un dispositivo de protección contra sobretensiones en este punto intercepta las sobretensiones transitorias en el punto más temprano posible del circuito de CC, evitando que se propaguen más hacia el interior del sistema.

Para esta posición, el dispositivo de protección contra sobretensiones debe estar clasificado para el voltaje máximo de circuito abierto en corriente continua (CC) del campo fotovoltaico bajo las condiciones más desfavorables de temperatura. Para sistemas que operan a 1000 V CC, el dispositivo debe tener una clasificación de voltaje de protección y un voltaje máximo de funcionamiento continuo que superen claramente este valor. Las clasificaciones comunes utilizadas en instalaciones fotovoltaicas a escala de servicios públicos y comerciales incluyen variantes de 1000 V CC y 1500 V CC, con clasificaciones de corriente de impulso de 20 kA o 40 kA, según la clasificación de la zona de protección contra rayos del emplazamiento.

El dispositivo de protección contra sobretensiones en la caja de combinación debe conectarse entre cada polo de corriente continua (CC) y el conductor de tierra de protección. En una configuración de dos polos, esto significa un dispositivo entre el riel positivo y tierra, y otro entre el riel negativo y tierra. Algunas instalaciones utilizan un dispositivo de tres polos o combinado que gestiona ambos polos simultáneamente. La elección depende de la configuración de puesta a tierra del sistema y del diseño específico del producto del dispositivo de protección contra sobretensiones.

Colocación en la entrada de CC del inversor

Incluso cuando se instala un dispositivo de protección contra sobretensiones en la caja de combinación, se recomienda encarecidamente instalar un segundo dispositivo en los bornes de entrada de CC del inversor en los sistemas con recorridos de cable largos entre la caja de combinación y el inversor. La inductancia del cable limita la eficacia con la que un dispositivo de protección contra sobretensiones remoto puede limitar una sobretensión transitoria de rápido ascenso en los bornes del inversor. El voltaje residual que aparece en la entrada del inversor tras la actuación del dispositivo de la caja de combinación aún puede ser lo suficientemente alto como para someter a esfuerzo los condensadores de entrada y los módulos IGBT del inversor.

El dispositivo de protección contra sobretensiones en la entrada de CC del inversor actúa como una segunda línea de defensa, capturando cualquier energía transitoria residual que no haya sido absorbida completamente por el dispositivo aguas arriba. Este enfoque en cascada, denominado a veces esquema de coordinación Tipo 1 más Tipo 2, es una práctica estándar en instalaciones fotovoltaicas bien diseñadas. El dispositivo en la entrada del inversor suele ser un dispositivo de protección contra sobretensiones Tipo 2 con una capacidad de corriente de descarga más baja, ya que el dispositivo aguas arriba ya ha absorbido la mayor parte de la energía de la sobretensión.

La conexión correcta del dispositivo de protección contra sobretensiones del lado de CC es fundamental. Los conductores de conexión entre el dispositivo y el bus de CC deben ser lo más cortos posible, idealmente inferiores a 50 cm, para minimizar la caída de tensión inductiva que se suma a la tensión de clamping percibida por el inversor. Utilizar conductores de conexión lo más cortos posible y evitar curvaturas innecesarias en los cables de conexión son medidas prácticas que mejoran significativamente la eficacia de la instalación del dispositivo de protección contra sobretensiones.

Integración del dispositivo de protección contra sobretensiones en el lado de corriente alterna

Colocación en la salida de corriente alterna del inversor

En el lado de corriente alterna, la ubicación principal para un dispositivo de protección contra sobretensiones es en la salida de corriente alterna del inversor, normalmente dentro o inmediatamente adyacente al interruptor de desconexión de corriente alterna o al panel combinador. Esta posición protege la etapa de salida del inversor frente a sobretensiones transitorias procedentes de la red y también protege cualquier equipo de monitorización, medición o comunicación conectado al bus de corriente alterna en este punto.

El dispositivo de protección contra sobretensiones seleccionado para el lado de corriente alterna debe tener una clasificación adecuada para la tensión de corriente alterna del sistema, que suele ser de 230 V monofásica o de 400 V trifásica en la mayoría de las instalaciones fotovoltaicas comerciales e industriales. El dispositivo también debe ser compatible con la frecuencia de la red y debe disponer de una tensión máxima de funcionamiento continuo que contemple las fluctuaciones normales de la tensión de red. Para sistemas trifásicos, se requiere un dispositivo de protección contra sobretensiones de tres polos o cuatro polos que cubra todos los conductores de fase y el neutro.

La corriente de impulso nominal del dispositivo de protección contra sobretensiones en el lado de corriente alterna debe seleccionarse en función de la zona de protección contra rayos y de la distancia desde la entrada principal de servicio. Un dispositivo de protección contra sobretensiones de Tipo 2 con una clasificación de 20 kA o 40 kA es adecuado para la mayoría de las aplicaciones de salida de CA de sistemas fotovoltaicos. Cuando la instalación se encuentra en una zona de alto riesgo de rayos o cuando la longitud del cableado de CA hasta el cuadro general de mando es considerable, puede ser necesario instalar un dispositivo de Tipo 1, con una clasificación de corriente de impulso más elevada, a nivel del cuadro general de mando.

Colocación en el cuadro general de mando de corriente alterna o en el punto de acoplamiento común

En sistemas fotovoltaicos de mayor tamaño que alimentan un cuadro general de mando o un punto de acoplamiento común compartido con otras cargas, la instalación de un dispositivo adicional de protección contra sobretensiones a nivel del cuadro de mando proporciona una protección integral del sistema. Este dispositivo absorbe las sobretensiones que ingresan desde el lado de la red eléctrica y evita que alcancen no solo el inversor, sino también otras cargas sensibles conectadas al mismo cuadro de mando.

La coordinación entre el dispositivo de protección contra sobretensiones en la salida de CA del inversor y el dispositivo ubicado en el tablero principal sigue la misma lógica en cascada que en el lado de CC. El dispositivo a nivel de tablero, normalmente de Tipo 1 o combinado Tipo 1 y Tipo 2, gestiona la sobretensión inicial de alta energía, mientras que el dispositivo a nivel de inversor absorbe la energía residual. Este enfoque estratificado garantiza que ningún dispositivo individual se vea sobrecargado y que la protección siga siendo efectiva en un amplio rango de magnitudes y formas de onda de sobretensión.

Al seleccionar el dispositivo de protección contra sobretensiones para el cuadro principal de conmutación, es importante verificar que el nivel de protección de tensión del dispositivo esté coordinado con la tensión de impulsos que soporta el inversor y otros equipos conectados. El nivel de protección del dispositivo de protección contra sobretensiones debe ser inferior a la tensión de soporte del equipo, para garantizar que el dispositivo limite la sobretensión transitoria antes de que pueda causar daños. Esta verificación de coordinación es un paso obligatorio en cualquier diseño profesional de protección contra sobretensiones para instalaciones fotovoltaicas.

Buenas prácticas en puesta a tierra, cableado e instalación

El papel de un sistema de puesta a tierra de baja impedancia

Un dispositivo de protección contra sobretensiones solo puede desempeñar su función de forma eficaz si dispone de una ruta de baja impedancia a tierra mediante la cual pueda desviar la corriente de sobretensión. El sistema de puesta a tierra de la instalación fotovoltaica es, por tanto, tan importante como el propio dispositivo de protección contra sobretensiones. Una conexión a tierra de alta resistencia o mal conectada provocará que el dispositivo de protección contra sobretensiones desarrolle una tensión elevada entre sus bornes durante su funcionamiento, reduciendo su eficacia y, posiblemente, permitiendo que tensiones dañinas lleguen al equipo protegido.

Para las instalaciones fotovoltaicas, el sistema de puesta a tierra debe incluir un electrodo de tierra dedicado en la ubicación del campo de paneles, conectado eléctricamente al sistema estructural de montaje y al terminal de tierra del dispositivo de protección contra sobretensiones del lado CC. El dispositivo de protección contra sobretensiones del lado CA debe conectarse eléctricamente al conductor principal de tierra de protección del edificio o instalación. Todas las conexiones a tierra deben realizarse con conductores de sección adecuada, normalmente de 6 mm² o mayor para los conductores de conexión a tierra de los dispositivos de protección contra sobretensiones, para soportar la corriente de impulso sin una caída de tensión excesiva.

La unión equipotencial entre la tierra del lado CC, la tierra del lado CA y la tierra estructural del sistema de montaje fotovoltaico es esencial para evitar el aumento del potencial de tierra durante un evento de sobretensión. Cuando distintas partes del sistema presentan diferentes potenciales de tierra durante un transitorio, la diferencia de tensión entre ellas puede dañar los equipos, incluso si cada dispositivo individual de protección contra sobretensiones funciona correctamente. Un sistema de tierra unificado y de baja impedancia elimina este riesgo.

Supervisión y mantenimiento de los dispositivos instalados

Un dispositivo de protección contra sobretensiones es un componente protector desechable. Cada vez que absorbe un evento de sobretensión, consume parte de su capacidad de protección. Tras un evento importante de rayo o una serie de sobretensiones menores, el dispositivo puede alcanzar el final de su vida útil y requerir su sustitución. La mayoría de los dispositivos modernos de protección contra sobretensiones pRODUCTOS incluyen un indicador visual de estado, normalmente una ventana que cambia de color o una banderola que cae, para señalar cuándo el dispositivo ha perdido eficacia y necesita ser reemplazado.

Incorporar las revisiones del estado de los dispositivos de protección contra sobretensiones en el programa regular de mantenimiento del sistema fotovoltaico es una práctica sencilla, aunque con frecuencia pasada por alto. Una inspección visual trimestral de todos los dispositivos instalados, combinada con una revisión posterior a cada tormenta tras cualquier actividad significativa de rayos en la zona, garantiza que la protección siga activa. Algunos modelos avanzados de dispositivos de protección contra sobretensiones incluyen contactos de monitorización remota que pueden conectarse al sistema SCADA o a la plataforma de monitorización del sistema, lo que permite emitir alertas automáticas cuando un dispositivo requiere sustitución.

La sustitución de un dispositivo de protección contra sobretensiones degradado debe realizarse de forma inmediata. Operar un sistema fotovoltaico con un dispositivo de protección contra sobretensiones fallido, ya sea en el lado CA o en el lado CC, deja al inversor y al equipo asociado totalmente expuestos al siguiente evento transitorio. Dado el costo relativamente bajo de un dispositivo de protección contra sobretensiones comparado con el costo de sustituir el inversor o con las pérdidas derivadas de la indisponibilidad del sistema, el mantenimiento oportuno constituye una decisión económica clara.

Selección del dispositivo adecuado de protección contra sobretensiones para aplicaciones fotovoltaicas

Parámetros eléctricos clave a evaluar

La selección del dispositivo correcto de protección contra sobretensiones para una aplicación fotovoltaica requiere la evaluación de varios parámetros eléctricos clave. La tensión máxima de funcionamiento continuo del dispositivo debe superar la tensión más alta que aparezca entre sus terminales en condiciones normales de funcionamiento, incluyendo cualquier tolerancia de tensión de la red. Para los dispositivos del lado de corriente continua (CC), esto implica tener en cuenta la tensión máxima en circuito abierto del campo fotovoltaico a la temperatura ambiente más baja prevista, ya que la tensión de los módulos fotovoltaicos aumenta al disminuir la temperatura.

La corriente nominal de descarga y las calificaciones de corriente de impulso máximo determinan la cantidad de energía de sobretensión que el dispositivo de protección contra sobretensiones puede soportar. Estas calificaciones deben coincidir con la clasificación de la zona de protección contra rayos del emplazamiento de instalación, la cual se determina mediante la densidad local de descargas atmosféricas al suelo y las características físicas de la estructura. Un dispositivo de protección contra sobretensiones con una calificación de corriente de impulso de 40 kA ofrece un margen de seguridad mayor que uno de 20 kA y es adecuado para ubicaciones expuestas o instalaciones de alto valor.

El nivel de protección contra sobretensiones del dispositivo de protección contra sobretensiones, expresado en kilovoltios, indica la tensión máxima que aparecerá entre los terminales del dispositivo durante una prueba de sobretensión normalizada. Este valor debe ser inferior a la tensión de soporte a impulsos del equipo que se desea proteger. En el caso de los inversores fotovoltaicos, la tensión de soporte a impulsos de entrada de corriente continua suele especificarse en la hoja técnica del producto, y el dispositivo de protección contra sobretensiones debe seleccionarse de modo que su nivel de protección ofrezca un margen adecuado por debajo de este valor.

Normas de cumplimiento y requisitos de certificación

Para aplicaciones fotovoltaicas (PV), el dispositivo de protección contra sobretensiones debe cumplir con la norma IEC 61643-11 para dispositivos en el lado de corriente alterna (CA) y con la norma IEC 61643-31 para dispositivos en el lado de corriente continua (CC). Estas normas definen los métodos de ensayo, los requisitos de rendimiento y los requisitos de marcado para los dispositivos protectores contra sobretensiones utilizados, respectivamente, en sistemas eléctricos de baja tensión y en instalaciones fotovoltaicas. El cumplimiento de estas normas garantiza que el dispositivo ha sido ensayado y verificado de forma independiente para funcionar según lo especificado bajo condiciones normalizadas de sobretensión.

Además del cumplimiento de las normas IEC, muchos mercados y especificaciones de proyectos exigen la marca CE y la certificación TÜV para los dispositivos de protección contra sobretensiones utilizados en sistemas fotovoltaicos. Estas certificaciones ofrecen una garantía adicional de calidad del producto y consistencia en la fabricación. Al especificar un dispositivo de protección contra sobretensiones para un proyecto fotovoltaico comercial o a escala de servicios públicos, verificar que el producto posea las certificaciones adecuadas para el mercado objetivo constituye un paso importante en el proceso de adquisición.

Algunos operadores de red y proveedores de seguros tienen requisitos específicos para la instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones en sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Revisar estos requisitos al inicio del proceso de diseño garantiza que el dispositivo de protección contra sobretensiones seleccionado cumpla con todas las normas aplicables y que el método de instalación se ajuste a los códigos eléctricos locales. Las instalaciones no conformes podrían tener problemas durante la aprobación de la conexión a la red o en los reclamos de seguros tras un evento de pérdida relacionado con una sobretensión.

Preguntas frecuentes

¿Necesito un dispositivo de protección contra sobretensiones tanto en el lado de corriente alterna (CA) como en el lado de corriente continua (CC) de mi sistema fotovoltaico?

Sí. Las sobretensiones pueden entrar en un sistema fotovoltaico desde cualquiera de las dos direcciones: desde el lado del campo fotovoltaico durante eventos de rayos o desde el lado de la red eléctrica durante transitorios provocados por maniobras de conmutación. Instalar un dispositivo de protección contra sobretensiones únicamente en un lado deja al inversor y los equipos asociados expuestos a los transitorios provenientes del lado no protegido. Una estrategia completa de protección requiere un dispositivo de protección contra sobretensiones en el combinador CC o en la entrada CC del inversor, y otro en la salida CA del inversor o en el tablero principal de conmutación.

¿Qué tensión nominal debo elegir para un dispositivo de protección contra sobretensiones en el lado CC?

El dispositivo de protección contra sobretensiones debe tener una tensión máxima de funcionamiento continuo que supere la tensión máxima en circuito abierto del campo fotovoltaico (PV) en las condiciones de temperatura más fría prevista. Para sistemas diseñados para operar a 1000 V CC, se requiere un dispositivo de protección contra sobretensiones clasificado para 1000 V CC o superior. Para sistemas de 1500 V CC, debe utilizarse un dispositivo clasificado para 1500 V CC. Al seleccionar la clasificación del dispositivo, siempre se debe añadir un margen de seguridad por encima de la tensión máxima calculada del campo.

¿Con qué frecuencia debo inspeccionar o sustituir un dispositivo de protección contra sobretensiones en una instalación fotovoltaica?

Se debe realizar una inspección visual de todas las unidades instaladas de dispositivos de protección contra sobretensiones al menos cada trimestre y después de cualquier actividad significativa de rayos en la zona. La mayoría de los dispositivos incluyen un indicador de estado que cambia de apariencia cuando el dispositivo ha sufrido una degradación. Cualquier dispositivo de protección contra sobretensiones que muestre una indicación de fallo debe reemplazarse de inmediato. Incluso sin degradación visible, los dispositivos instalados en zonas con alta actividad de rayos pueden beneficiarse de su sustitución cada cinco a siete años como medida preventiva.

¿Puedo utilizar un dispositivo estándar de protección contra sobretensiones de CA en el lado de CC de un sistema fotovoltaico?

No. Los dispositivos estándar de protección contra sobretensiones de corriente alterna (CA) no son adecuados para aplicaciones de corriente continua (CC). Los circuitos de CC no tienen un cruce natural por cero de la corriente, lo que significa que, una vez que un dispositivo de protección contra sobretensiones comienza a conducir, debe interrumpir activamente la corriente de seguimiento para evitar un arco sostenido. Los dispositivos de protección contra sobretensiones calificados para CC están diseñados específicamente con mecanismos de extinción de arco y clasificaciones de componentes adecuadas para las características de tensión y corriente de CC. Utilizar un dispositivo para CA en un circuito de CC representa un grave riesgo de incendio y peligro para la seguridad.