Curso Energía Solar Fotovoltaica. Protección y Seguridad

Transcripción

1 Curso Energía Solar Fotovoltaica Protección y Seguridad

2 Temario Protecciones Fundamentales Protecciones en el generador FV Protecciones en Inversor Protecciones en lado CA Normas y regulaciones para sistemas FV

3 Protecciones Fundamentales Protección en el Generador FV Protección en el Inversor Protección en el lado CA

4 Pueden ser del 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, por ejemplo: descargas atmosféricas. Características particulares de los Generadores FV Se comportan como fuentes de corriente en situaciones de falla. La I sc es apenas ligeramente superior a la I max.pot. V cc está presente aún cuando el generador está desconectado. No se pueden interrumpir fácilmente corrientes de fuga (debido a fallas o defectos) durante el día. V cc.max 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 aislammiento. (Causas de incendios en FV). Al estar expuestos al medio ambiente (humedad, esfuerzos por cargas de viento, vibración, dilataciones y contracciones terminas, etc) agrava la posibilidad de fallas en el aislamiento o falsos contactos.

5 Tipos de fallas en generadores FV Tipos de Falla Causas Consecuencias Falla a Tierra Cortocircuito Circuito abierto Sobretensión inducida Sobretensión Directa Sombreado Deterioro de aislamiento (rayos UV, humedad, calor, sobretensiones, envejecimiento, químicos), daño al instalar, mala instalación. Cable suelto en caja de conexiones, abrasión, roedores, etc. Mala instalación, componentes inadecuados, fatiga por ciclos térmicos o vibración. Descargas atmosféricas Descargas atmosféricas directas Suras, aves, localización inapropiada Posibles: Descargas Eléctricas, arcos, fuego, corriente inversa en módulos, sobrecorrientes y pérdida de potencia. Pérdida de potencia, posibles arcos y fuego, por consiguiente, daño al sistema de CC. Pérdida de potencia, posibles arcos Eléctricos y fuego Posibles daños a componentes, particularmente a Equipos Electrónicos. Daños al generador y equipos electrónicos Generación de puntos calientes y posible destrucción del módulo

6 Diodos de Bloqueo Función: Proteger a los módulos vs corriente inversa en coas de falla a tierra en el generador FV Proteger el cableado de CC contra sobrecorriente Falla a tierra en un generador FV aterrizado, sin diodos de bloqueo: a) Diagrama del generador, b) Potencia disipada en el módulo X.

7 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 sobrecorrientes. Interruptores termomagnéticos : Además de proteger el circuito proveen los medios de desconexión. Dispositivos de desconexión con portafusibles integrados. Requerimientos: Deben estar especificados para uso en circuito en CC. Su calibración nominal debe ser entre 125% y 150% de I sc. Capacidad de tensión apropiada. Preferentemente emplear dispositivos con retraso de tiempo para evitar desconexiones por sobrecorrientes transitorias. Capacidad de interrupción 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 cortocircuito. Siempre es conveniente instalar fusibles en cada rama sin importar el número de ellas en paralelo

8 Localización de fusibles y Diodos de bloqueo

9 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 (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 sistema de CC, si este último esta aterrizado.

10 Puesta a tierra del Sistema Función: Reducir el daño a equipos por tensiones inducidas. Estabilizar la tensión del sistema Facilitar la detección y eliminación de las corrientes de falla Reducir los efectos de la IEM. La puesta a tierra del sistema CC 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 EE.UU la mayoría de los sistemas son aterrizados, mientras que en Europa la mayoría son flotantes. Configuraciones básicas posibles: Sistema 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)

11 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 de la tensión 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 sistemasaterrizados las corrientes de falla son grandes, permitiendo fácilmente la detección En sistemas flotantes lasensibilidad del equipo debeser mayor. El límitedesensibilidad está dado por el nivel de corriente de fuga del arreglo en condiciones húmedas.

12 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 queno existe un camino para lacorriente. 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 equipo con aislamiento clase II reduce considerablemente los riesgos asociados con corrientes de fuga y capacitacias, 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.

13 Seguridad contra incendio El riego 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. ü Los sistemas de detección de falla deben deshabilitar el generador e interrumpir el camino de la corriente para evitar la formación del arco eléctrico. ü 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 posibilidadde formación de unaarco 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 mayoresriesgosde incendio porqueuna solafalla a tierra puede provocarun arco eléctrico. Para 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.

14 Conclusiones La selección de las condiciones de puesta a tierra depende de los parámetros eléctricos del sistema (tensión y potencia) y de la filosofía de los sistemas de protección. ü Los sistemas aterrizados confieren mayor protección a los equipos porque la tensión es más estable y las sobretensionesinducidas son atenuadas de mejor forma. ü Los sistemas flotantes presentan menos riesgo de incendio por arcos eléctricos. ü Respecto a la seguridad de las personas, los sistemas flotantes con aislamiento clase II y baja tensión son la mejor opción. ü En estaciones centrales no es conveniente el empleo de tensiones pequeñas de CC debido al incremento en las pérdidas por conducción, así mismo, el uso de módulos FV y equipos con doble aislamiento puede disparar los costos. ü Aterrizar arreglos grandes en el punto medio de la tensión disminuye a la mitad el potencial máximo con respecto a tierra de los módulos, y con ello el riesgo de arcos eléctricos por alta tensión y envejecimiento del aislamiento.

15 Aislamiento Clase II Esta especificación implica que los componentes eléctricos deben soportar una tensión de prueba determinada en función de la tensión nominal. Representa también mayor resistencia a factores como degradación y abrasión. Actualmente existen en el mercado: ü Módulos FV ü Cables conductores y ü Conectores y cajas de conexión que cumplen esta especificación Su uso reduce considerablemente las posibilidades de fala de aislamiento durante la vida útil del sistema, y todas sus consecuencias (Fallas a tierra, cortocircuitos, arcos, etc) Evita el uso de diodos de bloqueo y fusibles. Lo que 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.

16 Baja tensión en el sistema CC Para propósitos de seguridad, latensión del generador FV es latensión de circuito abierto y nolatensión de operación. ü La norma IEC 364 establece una tensión máxima de circuito abierto para sistemas residenciales de 120 V cc. ü El NEC (artículo 690-7) especifica una tensión máxima de 600 V cc para cualquier tipo de instalación sin necesidad de utilizar equipos o medidas de seguridad especiales. Restringir la tensión de circuito abierto del sistema es una medida de protección contra contacto indirecto. Reduce lamagnitud deuna descarga eléctrica y disminuyeel estrés en el aislamiento y laprobabilidad de falas del mismo. La desventaja de operar con baja tensión es el aumento de pérdidas por conducción.

17 Protección contra sobretensión La sobretensión en el sistemacc deun 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. Mecanismo que producen la sobretensión: ü El acoplamiento inductivo ü El acoplamiento capacitivo y ü El acoplamiento conductivo

18 Acoplamiento Inductivo Cuando el pico de la corriente que produce una descarga es conducido por el sistema interceptor de rayos, la corriente de descarga produce tensiones inducidas en las espiras conductoras que se forman con el cableado del generador FV. La magnitud de la tensión inducida guarda una relación directa con el área de la espira e inversacon la distanciaentre la corriente y ésta. Medidas de prevención de daños: ü Instalar el arreglo FV lejos del conductor del sistemainterceptor de rayos, si existe ü Evitar que el cableado del arreglo forme lazos conductores de gran área. Alambrar los polos de cada circuito dentro de un mismo ducto ü Maximizar la sección transversal de las estructuras metálicas que soportan el arreglo ü Usar cables con malla metálica (blindados) para el circuito de salida del arreglo o subarreglo ü Usar varistores a la salida del arreglo y al final de la línea.

19 Acoplamiento Inductivo Cableado de un circuito fuente en una arreglo FV: a) Incorrecto; b) Correcto

20 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 energíaacoplada capacitivamente por rayos o más de 100 metros puede serdisipada con varistores. Medidas para reducir los efectosdel acoplamiento: ü Instalar el arreglo FV lomás cerca posible del sistemade tierra ü Instalar varistores para proteger el equipo electrónico de acuerdo con su sensibilidad a las sobretensiones. ü Aterrizar sólidamente las estructuras y marcos metálicos de los módulos.

21 Acoplamiento Conductivo El acoplamiento conductivo ocurre debido a las caídas de tensión cuando parte de la corriente de descarga fluye por cables, conexiones a tierra o la tierra del sistema. Medidas para disminuir sus efectos: ü Aterrizar marcos y estructuras correcta y consistentemente (Formar mallas) ü Si existe un sistema interceptor (pararrayos), el sistema de tierras debe estar integrado al cable de conducción de la corriente de descarga ü Colocar varistores en las líneas de potencia y de señal ü Colocar varistores en la línea de CA para proteger el inversor ü Los cables de conexión a tierra de los varistores y las mallas de los cables de potencia deben ser los más cortos posibles.

22 CONCLUSIONES Ø Evitar la formación de lazos conductivos de gran área en el cableado del arreglo o subarreglo. Ø Instalar el campo FV lo más alejado posible del cable conductor de la corriente de descarga si hay sistema de pararrayos. Ø 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 dispositivosdemenor capacidad. Si los conductores de salida son muycortos se puede omitirel empleo de varistores. Ø 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.

23 CONCLUSIONES Ø 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 de pararrayos Si hay sistemas 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. Ø Usar supresores de picos en la línea de CA para proteger la salida del inversor Ø Normalmente en instalaciones residenciales no es necesario instalar pararrayos Ø La mayoría de los edificios cuentan con sistema de intercepción de rayos, al cual se debe integrar el sistema de tierras del arreglo FV Ø En estaciones centrales se utilizan pararrayos sólo en zonas de alto riesgo o en plantas de gran capacidad

24 Detección de falla de aislamiento El artículo del NEC estipula que el dispositivo de protección debe ser capaz de detectar la fall, interrumpirla corriente de falla y deshabilitar el arreglo. Medios para detectar las fallas de aislamiento (falla a tierra) Ø En sistemas flotantes con transformador de aislamiento ü Un monitor de aislamiento en el lado CC que muestrea periodicamente 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 ü Medir la rigidez dieléctrica del aislamiento entre conductores, y entre cada conductor y tierra, de manera periódica como práctica de mantenimiento preventivo. Ø En sistemasaterrizados, sin transformador ü Un detector de fuga a tierra (o dispositivo de corriente residual)

25 Medios de desconexión El NEC, en sus artículos a , prevé el uso de interruptores de desconexión en el generador FV para realizar varias funciones. Ø Interruptor para el circuito de salida del generador (Interruptor principal de CC) ü Accesible, aislado e indicando la posiciónen que seencuentra. ü Si está energizado por más de una fuente se debe indicar en el tablero que existen parte vivas en ambos lados. Ø Medios de desconexión para equipos de condicionamiento de potencia (Inversor, Filtros) ü Si el equipo está energizado por más de una fuente, los disyuntores e interruptores deben estar debidamente identificados. Ø Medios de desconexión para fusibles en ambos extremos Ø Medios para deshabilitar el arreglo en caso de mantenimiento. El manual del NEC propone tres alternativas: ü Cortocircuitar todos los circuitos del arreglo con interruptores o conectores. ü Dividir el arreglo en segmentos con tensiones no peligrosas mediante interruptores o disyuntores. ü Cubrir el arreglo de la luz En sistemas flotantes se deben proveer medios de desconexión para ambos polos de los circuitos de CC que conforman el generador FV

26 Selección de componentes e instalación SELECCIÓN: ü Los componentes utilizados en el sistema FV deben cumplir con las normas de la industria eléctrica para tal propósito ü 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 ü 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

27 Selección de componentes e instalación Prácticas de instalación: ü Se debe seguir los lineamiento del fabricante para evitar daños a los componentes durante la instalación (módulos, cajas de conexión, etc) ü 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.

28 Protecciones en Inversor Funciones de protección encaminadas a evitar daños y riesgos en el sistema de potencia q Protección contra operación en modo isla (Islanding) ü Es una de las protecciones obligadas para evitar riesgos al personal de la compañía suministradora, daños a otros usuarios por alimentar cargas con tensión y frecuencia inapropiados, y finalmente daños al inversor mismo por una posible reconexión no sincronizada. q Respuesta a fallas en el alimentador ü Los generadores FV son fuentes de corriente, lo que limita su contribución a las corrientes de falla. ü Los relevadores de tensión y frecuencia son los principales medios de detección y desconexión del sistema FV en caso de disturbios en la red ocasionados por fallas. q Control del FP ü Es una forma indirecta de protección a los equipos de la red y sus usuarios. ü Todos los inversores conectados a la red deben tener control de su FP.

29 Protecciones en Inversor Funciones de protección encaminadas a evitar daños y riesgos en el sistema de potencia q Control de emisión de armónicos ü Es otra forma indirecta de protección a los usuarios de la red y a los equipos del sistema de potencia. ü La distorsión de tensión 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 sobretensiones peligrosas, entre otras cosas. q Protección contra inyección de CC en la red ü 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. q Control de emisiones de radio frecuencias (IEM) ü Esta es una protección a los sistemas de comunicaciones propios del sistema de potencia, a otros sistemas de comunicación, y equipos sensibles al ruido próximos al inversor. q Protecciones propias del inversor ü Funciones de protección encaminadas a protegerse a sí mismo de situaciones anormales en ambos lados, el sistema de CC y la red.

30 Protecciones en Inversor Funciones de protección encaminadas a protegerse a sí mismo de situaciones anormales en ambos lados, el sistema CC y la red q Protección contra sobretensiones ü Supresores de picos de tensión o varistores en sus terminales de entrada y de salida. q Protección contra sobrecarga ü Sensor de temperatura y su circuito de desconexión asociado. ü Desplazando el punto de operación del generador FV del punto de máxima potencia (PMP) cuando su potencia de salida excede la capacidad del inversor q Protección contra corrientes de falla ü El inversor debe ser capaz de interrumpir las corrientes de falla provenientes de la red hacia el generador FV. q Protección contra fallas en el lado de CC ü Un diodo entre las terminales positiva y negativa (antes del filtro LC) contra cambios de polaridad de la tensión de entrada en inversores conmutados por línea. ü Detección de fallas de aislamiento y cortocircuito en el generador FV Es importante que las funciones de protección del inversor sean probadas con cierta frecuencia para garantizar su correcto funcionamiento

31 Protecciones en lado de CA Algunas compañías suministradoras exigen que ciertas funciones de protección que usualmente se incluyen en el inversor sean implementadas de manera externa q Interruptor de CA / Protección contra cortocircuito ü 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 ü Dispositivo de accionamiento automático. q Medio de desconexión manual ü Es un requisito que algunas compañías suministradoras establecen para la interconexión de generadores FV en sus líneas de alimentación ü Algunas compañías en los EEUU consideran el medidor de energía como un medio de desconexión válido porque es fácilmente removible. ü La norma IEEE 1001 reconoce las dificultadas potenciales con múltiples sistemas interconectados y sugiere que un método confiable de desconexión automática que cumpla los lineamientos de seguridad sería preferible q Punto de interconexión de sistemas residenciales ü En el lado de la línea del interruptor de servicio de la acometida normal sin ninguna restricción. ü 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 Protecciones en lado de CA Algunas compañías suministradoras exigen que ciertas funciones de protección que usualmente se incluyen en el inversor sean implementadas de manera externa

33 q Normas específicas sobre sistemas FV ü Sistemas FV terrestres. ü Interconexión de sistemas FV con la red ü Protección y seguridad Normas y regulaciones para sistemas FV ü El equipo de acondicionamiento de potencia (inversores) q Normas sobre sistemas eléctricos de potencia aplicables a sistemas FV ü Calidad de suministro / disturbios en la red ü Cogeneración ü Convertidores estáticos ü Protección y Seguridad q Códigos eléctricos, especificaciones y normas no oficiales ü Códigos eléctricos, guías técnicas, normas no oficiales y reportes desarrollados por instituciones académicas y de investigación, compañías suministradoras, organismos gubernamentales y otras asociaciones. ü Las normas IEC (International Electrotechnical Commission) y las IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) son aceptadas internacionalmente