Selecció de dispositius de protecció contra sobretensions per a sistemes fotovoltaics: tipus de SPD
La generació d'energia fotovoltaica (FV) és una font clau d'energia renovable i és altament competitiva econòmicament en comparació amb la generació d'energia tradicional. Els sistemes FV distribuïts petits, com ara els panells solars a les teulades, són cada cop més populars. Els sistemes FV a les teulades impliquen distribució tant de CA com de CC amb tensions que arriben fins als 1500 V. El costat de CC, especialment els panells FV, pot estar directament exposat a llamps en zones d'alt risc, cosa que els fa vulnerables a danys causats per llamps.
La protecció contra llamps per a edificis es divideix en protecció externa (Sistema de protecció contra llamps, LPS) i protecció interna (Mesures de protecció contra sobretensions, SPM), en funció del risc de llamps. Els dispositius de protecció contra sobretensions (SPD), com a part de la protecció interna, protegeixen contra les sobretensions transitòries causades per llamps atmosfèrics o operacions de commutació. Els SPD s'instal·len fora de l'equip protegit i funcionen principalment de la següent manera: quan no hi ha cap sobretensió al sistema d'alimentació, l'SPD no afecta significativament el funcionament normal del sistema que protegeix. Quan es produeix una sobretensió, l'SPD ofereix una baixa impedància, desviant el corrent de sobretensió a través seu i limitant la tensió a un nivell segur. Després que la sobretensió hagi passat i qualsevol corrent residual s'hagi extingit, l'SPD torna a un estat d'alta impedància.
1. La ubicació d'instal·lació dels dispositius de protecció contra sobretensions (SPD)
La ubicació d'instal·lació dels SPD es determina segons el grau d'amenaça de llamps i es basa en el concepte de zones de protecció contra llamps (LPZ) de la norma IEC 62305. Les sobretensions transitòries es redueixen progressivament fins a un nivell segur, que ha d'estar per sota de la tensió resistent de l'equip protegit. Com s'il·lustra a la figura, els SPD s'instal·len als límits d'aquestes zones, donant lloc al concepte de protecció contra sobretensions multinivell utilitzada en sistemes de baixa tensió. Per als sistemes fotovoltaics, l'objectiu és evitar que les sobretensions de llamps entrin pels costats de CA i CC, protegint així components crítics com els inversors.
2. Classes de prova de dispositius de protecció contra sobretensions (SPD)
Segons la norma IEC 61643-11, els SPD es classifiquen en tres categories de prova segons el tipus d'impuls de corrent de llamp que estan dissenyats per suportar. Les proves de tipus I (marcades com a T1) tenen com a objectiu simular corrents de llamp parcials que es poden conduir a un edifici. Aquestes utilitzen una forma d'ona de 10/350 µs, com es mostra a la figura 1, i s'apliquen normalment al límit entre LPZ0 i LPZ1, com ara en quadres de distribució principals o entrades de transformadors de baixa tensió. Els SPD per a aquest nivell solen ser del tipus de commutació de tensió, amb components com tubs de descàrrega de gas o espurnes (per exemple, espurnes de bocina o espurnes de grafit).
Les proves de tipus II (T2) i tipus III (T3) utilitzen impulsos de durada més curta. Els SPD de tipus II solen ser dispositius limitadors de tensió que utilitzen components com ara varistors d'òxid metàl·lic (MOV). Es proven amb un corrent de descàrrega nominal utilitzant una forma d'ona de corrent de 8/20 µs (vegeu la figura de bufat) i són responsables de limitar encara més la sobretensió residual que prové del dispositiu de protecció aigües amunt. Les proves de tipus III utilitzen un generador d'ones combinat amb un voltatge d'1,2/50 µs i un impuls de corrent de 8/20 µs (vegeu la figura següent), simulant sobretensions més a prop de l'equip d'ús final.
3. Tipus de connexió del dispositiu de protecció contra sobretensions (SPD)
Hi ha dos modes principals de protecció contra sobretensions transitòries. El primer és la protecció en mode comú (CT1), que està dissenyada per protegir contra sobretensions entre conductors actius i PE (terra de protecció). Els llamps, per exemple, poden introduir alts voltatges respecte a la terra en un sistema. La protecció en mode comú ajuda a mitigar l'impacte d'aquestes pertorbacions externes, com els llamps, tal com s'il·lustra a continuació.
La segona és la protecció de mode diferencial (CT2), que protegeix contra les sobretensions entre el conductor de línia (L) i el conductor neutre (N). Aquest tipus de protecció és especialment important per fer front a pertorbacions internes, com ara el soroll elèctric o les interferències generades dins del mateix sistema, tal com es mostra al diagrama següent.
Implementant un o tots dos d'aquests modes de protecció, els sistemes elèctrics poden estar millor protegits de possibles fonts de sobretensió, cosa que en última instància millora la longevitat i la fiabilitat dels equips connectats.
És important tenir en compte que la selecció dels modes de protecció SPD ha de coincidir amb el sistema de posada a terra existent. Per als sistemes TN, es poden utilitzar tant els modes de protecció CT1 com CT2. Tanmateix, en els sistemes TT, CT1 només es pot aplicar aigües avall d'un RCD. En els sistemes IT, especialment aquells sense conductor neutre, la protecció CT2 no és aplicable. Aquesta és una consideració crítica en els sistemes de distribució de CC que utilitzen configuracions de posada a terra IT. Els detalls es poden trobar a la taula següent.
4. Paràmetres clau dels dispositius de protecció contra sobretensions (SPD)
Segons la norma internacional IEC 61643-11, les característiques i les proves dels SPD connectats a sistemes de distribució d'energia de baixa tensió es defineixen, tal com es mostra a la Figura 7.
(1) Nivell de protecció de tensió (pujant)
L'aspecte més important a l'hora de seleccionar un SPD és el seu nivell de protecció de tensió (Up), que caracteritza el rendiment de l'SPD en la limitació de la tensió entre els terminals. Aquest valor ha de ser superior a la tensió màxima de subjecció. S'assoleix quan el corrent que flueix a través de l'SPD és igual al corrent de descàrrega nominal In. El nivell de protecció de tensió seleccionat ha de ser inferior a la tensió resistent a impulsos Uw de la càrrega. En el cas de llamps, la tensió a través dels terminals de l'SPD generalment es manté per sota d'Up. Per als sistemes fotovoltaics de CC, la càrrega normalment es refereix als mòduls fotovoltaics i als inversors.
(2) Tensió màxima de funcionament continu (Uc)
Uc és la tensió màxima de CC que es pot aplicar contínuament al mode de protecció SPD. Es selecciona en funció de la tensió nominal i la configuració de la connexió a terra del sistema i serveix com a llindar d'activació de l'SPD. Per al costat de CC dels sistemes fotovoltaics, Uc ha de ser superior o igual a la Uoc Max del panell fotovoltaic. Uoc Max es refereix a la tensió de circuit obert més alta entre els terminals actius i entre el terminal actiu i la terra al punt designat del panell fotovoltaic.
(3) Corrent de descàrrega nominal (In)
Aquest és el valor màxim d'un corrent d'ona de 8/20 μs que flueix a través de l'SPD, utilitzat per a proves de tipus II i per a proves de precondicionament en tipus I i Tipus IILa norma IEC exigeix que l'SPD pugui suportar almenys 19 descàrregues de corrent d'ona de 8/20 μs. Com més alt sigui el valor In, més llarga serà la vida útil de l'SPD, però el cost també augmenta.
(4) Corrent impulsiu (Iimp)
Definit per tres paràmetres: pic de corrent (Ipeak), càrrega (Q) i energia específica (W/R), aquest corrent s'utilitza en Tipus I proves. La forma d'ona típica és de 10/350 μs.