estandarización de los sitemas de protección en instalaciones

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERÍA INDUSTRIAL
PROYECTO FIN DE CARRERA
ESTANDARIZACIÓN DE LOS
SITEMAS DE PROTECCIÓN EN
INSTALACIONES
FOTOVOLTAICAS AISLADAS
CRISTINA TOUCHARD DÍAZ-AMBRONA
MADRID, junio de 2006
1
Autorizada la entrega del proyecto a la alumna:
Cristina Touchard Díaz-Ambrona
LA DIRECTORA DEL PROYECTO
Paloma Duque Pérez-Pire
Fdo:
Fecha:
Vº Bº del Coordinador de Proyectos
Tomás Gómez San Román
Fdo:
Fecha:
2
ESTANDARIZACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN EN
INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AISLADAS
Autor: Touchard Díaz-Ambrona, Cristina.
Director: Duque Pérez-Pire, Paloma.
Entidad Colaboradora: ISOFOTÓN.
RESUMEN DEL PROYECTO
El presente proyecto consiste en el Estudio del Arte de los distintos dispositivos
eléctricos de protección y en el análisis de cuatro instalaciones fotovoltaicas
aisladas típicas, con el fin de localizar los puntos que requieran protección
eléctrica y asignarles la más adecuada. El objetivo final es obtener una
estandarización de las protecciones en este tipo de sistemas para facilitar
proyectos futuros.
La ventaja que ofrecen las instalaciones fotovoltaicas aisladas es que permiten
generar energía de forma descentralizada y sin necesidad de una red eléctrica que
la transporte, a parte de ser una forma de energía limpia y respetuosa con el medio
ambiente. Estas instalaciones aisladas presentan una configuración eléctrica
diferente de las conectadas a red (equipos, valores de corriente y tensión, etc.). Por
ello, a la hora de diseñar las protecciones no se realiza de la misma manera y la
normativa a utilizar es distinta. Si a esto se le añade que es escasa la experiencia
en algunas de estas instalaciones y que se tiende a un mayor desarrollo de las
mismas, surge la necesidad de realizar una estandarización de las protecciones
para facilitar proyectos futuros.
Una instalación fotovoltaica aislada se compone, básicamente, de cuatro
elementos: los paneles solares, las baterías, el inversor y el regulador. Los paneles
solares transforman la energía solar en eléctrica y cargan las baterías. Éstas
acumulan la energía y cuando no hay generación solar proporcionan directamente
la energía eléctrica. El regulador de carga controla la carga de las baterías para
evitar que se originen sobrecargas o descargas excesivas que reducen la vida útil
de las mismas y el inversor transforma la corriente continua que generan los
3
paneles en corriente alterna, que es con la que trabajan la mayoría de
electrodomésticos que se comercializan.
Para proteger tanto a los equipos como a las personas se estudian las posibles
contingencias que se pueden producir y se analizan las alternativas que propone la
Normativa existente frente a ellas. Las tres protecciones, que son necesarias en
toda instalación eléctrica, son las usadas para proteger frente a sobrecorrientes,
sobretensiones y electrocución.
Para estudiar las protecciones contra sobreintensidades (provocadas por una
sobrecarga o un cortocircuito) se emplea el Reglamento Electrotécnico de Baja
tensión, ITC-BT-22, el cual recomienda el uso de fusibles y magnetotérmicos para
este tipo de contingencias.
Para establecer la protección necesaria frente a una sobretensión (provocada por la
descarga de un rayo sobre la instalación o en las cercanías de la misma), se utiliza
un estudio realizado por el Comité Europeo, el cual señala que cuando se trate de
pequeñas instalaciones de poca potencia no se pondrán protecciones. Si por el
contrario se trata de una instalación más grande se hará uso de varistores o incluso
de pararrayos, si el nivel de tormentas en la zona es elevado.
Las protecciones señaladas anteriormente se utilizan fundamentalmente para
proteger los equipos. A la hora de proteger a las personas se debe analizar el
riesgo de que se produzca una electrocución. Se deben evitar los contactos
directos e indirectos, para lo cual se estudian las normas europeas IEC-61140
(“Protección contra los choques eléctricos. Aspectos comunes a las instalaciones
y a los equipos”) y la IEC-62257-5 (“Recomendaciones para pequeñas
instalaciones de energía renovable y sistemas híbridos para electrificación rural”),
donde se señala lo siguiente:
•
En el lado de alterna, se protegerá contra el contacto directo si la tensión
supera los 50V permitidos. Por tanto se pondrán siempre protecciones ya que la
tensión a la salida del inversor será de 120 ó 230V. Para ello se emplearán
diferenciales.
•
En el lado de continua se pondrán protecciones contra el contacto directo
si la tensión en circuito abierto de los paneles supera 60V. Para ello se usarán
fusibles o magnetotérmicos. Pero si los circuitos de alterna y continua están
4
separados por un aislamiento galvánico, y la tensión no supera los 120V, no
serán necesarias.
•
Frente al contacto indirecto en la parte de alterna serán necesarias las
protecciones si la tensión es mayor a 50V. Por tanto siempre se pondrán,
empleando para ello, dispositivos Clase II, puestas de tierra y fusibles o
magnetotérmicos.
•
En el lado de continua, se pondrán protecciones frente al contacto
indirecto si la tensión supera los 120V. Para ello se emplearán las mismas
protecciones que frente al contacto directo.
Para realizar la estandarización de las protecciones y determinar su ubicación en
las instalaciones, éstas se clasifican en cuatro grandes grupos en función de sus
dimensiones y su potencia. Para ello, se usan instalaciones ya existentes de
ISOFOTÓN como referencia, llegando a las siguientes conclusiones (estándares):
•
Instalaciones individuales de hasta 100Wp de potencia, de generación en
continua, generalmente no necesitan ningún tipo de protección. Las
protecciones principales suelen estar incluidas en los equipos del sistema.
•
Instalaciones individuales de entre 100 y 700Wp, si sólo alimentan en
continua, necesitarán protecciones frente al contacto directo e indirecto. Si
generan en alterna, lo normal es que no las necesiten en el lado de continua
pero sí, en el de alterna.
•
En instalaciones individuales de más de 700Wp, harán falta las
protecciones en alterna contra el contacto directo e indirecto y contra
cortocircuitos y sobretensiones.
•
En el caso de una Central Híbrida, todas las protecciones, tanto en alterna
como en continua, serán necesarias, así como las protecciones frente a
cortocircuitos y sobretensiones.
5
STANDARIZATION OF ELECTRICAL PROTECTION DEVICES
FOR ISOLATED PHOTOVOLTAIC SYSTEMS
PROJECT SUMMARY
The topic of this project is the study of the different electrical protection devices
and the analysis of four typical isolated photovoltaic systems, in order to locate
the main points requiring electrical protection and to choose the most adequate
ones for them. The final aim is to standarize the protections for this kind of
systems to ease future projects.
The advantage of isolated photovoltaic systems is that they generate energy in a
decentralized way without needing an electric grid to transport it. Besides, it is a
renewable energy enviromentally friendly. Since they are not connected to the
grid, main characteristics related to equipments, current and voltage values,
among others, are different from the systems connected to the grid. Therefore, the
way to design the protections needed is different and the Technical Standards to
follow as well. Moreover, taking into account the short experience with some
these systems and its increasing development, the need to standarize the
protections arises.
The four basic components of an isolated photovoltaic installation are: the PV
generator, the batteries, the inverter and the charge regulator. The PV generator
transforms the solar energy into electrical energy and charges the batteries.
Batteries accumulate the energy and, when there is no solar generation available,
they provide electrical energy directly. The charge regulator controlls the charge
and discharge of the batteries to avoid overcharges and excessive discharges, what
may reduce their life. The inverter transforms the DC provided by the PV –
generator into AC, which supply energy to the majority of the common electrical
appliances.
To proctect devices and people, several failures that can take place, are studied
aswell as possible solutions proposed by the Technical Standards existing. The
three electrical protections that are always needed in any electrical installation, are
those employed to protect from overcurrents, overvoltage and electric shocks.
6
To study the overcurrent protections
(overcurrents are provoqued by an
overcharge or a shortcircuit) the REBT, ITC-BT-22 is used, which recommends to
use fuses or magnetic circuit breakers (MCB).
To stablish the adecuate protection for an overvoltage (these are provoqued by
lightning discharging on the installation or the surroundings) an European
Comission Research is used. It recommends not to use protections when working
with a small instalation with low power. However, for a bigger one, dischargers
and even lightning conductors, in case of frequent lightning storms, might be
used.
The already mentioned protections are used to protect equipments. When it comes
to protect people, the risk of electric shock must be taken into account. As direct
and indirect contacts must be avoided, the IEC – 61140 (“Protection against
electric shock. Common aspects for installation and equipment”) and the IEC –
62257 – 5 (“Recommendations for smal renewable energy and hybrid systems for
rural specification”) must be studied, where the following is said:
•
On the AC side, there will be protections against direct contact if the
voltage is higher than the 50V allowed. Therefore, protections will be always
installed as the voltage leaving the inverter will be 120 or 230V. Residual
current devices will be employed.
•
On the DC side, there will be protections against direct contact if the
voltage is higher than the 60V allowed. Therefore, fuses and circuit breakers
will be installed. Unless the AC and DC circuits are physically separated and
the voltage is not higher than 120V, they will have to be used.
•
Against indirect contact on the AC side, protections will be needed if the
voltage level is superior to 50V. Therefore, they will always be needed, so
Class II devices, earthing arrangement and fuses or circuit breakers will be
employed.
•
On the DC side, protections against indirect contact will be installed in
case the voltage is higher than 120V. The protections to be used will be the
same than those for direct contact.
To standarize the protections and determine their location on the installation, these
will be classified in for main groups depending on their size and power. Existing
7
and operating systems installed by ISOFOTON will be used as reference. Main
ideas drawn are the following:
•
Individual systems up to 100Wp, supplying energy in DC, generally don´t
need any type of protection.
•
Individual systems with power between 100Wp and 700Wp, supplying in
DC will need protections against direct and indirect contact. In case they
supply in AC, they won´t usually need them on the DC side, but they will need
them on the AC side.
•
Individual systems with higher power than 700Wp will need protections
agains direct and indirect contact, shortcircuits and overvoltages.
•
For a hybrid plant all the protections, AC and DC side, are required, aswell
as the protections against shortcircuits and overvoltages.
8
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz –Ambrona, Cristina
ÍNDICE
1
INTRODUCCIÓN .................................................................................................14
1.1
MOTIVACIÓN DEL PROYECTO ..............................................................................14
1.2
OBJETIVOS DEL PROYECTO ..................................................................................16
2
FUNCIONAMIENTO DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS ......18
2.1
FUNCIONAMIENTO DE LAS CÉLULAS SOLARES .....................................................18
2.2
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS Y SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS
............................................................................................................................20
A RED
2.2.1
Solar Home Systems ..................................................................................22
2.2.2
Sistemas centralizados ..............................................................................23
3
SISTEMAS ELÉCTRICOS DE PROTECCIÓN ..............................................27
3.1
NECESIDAD DE LAS PROTECCIONES ELÉCTRICAS .................................................27
3.2
ESTUDIO DEL ARTE DE LOS PRINCIPALES SISTEMAS DE PROTECCIÓN DE
INSTALACIONES ELÉCTRICAS .......................................................................................................30
3.2.1
Interruptores .............................................................................................30
3.2.2
Interruptores automáticos .........................................................................31
3.2.2.1
Interruptores térmicos ...................................................................................... 32
3.2.2.2
Interruptores magnéticos .................................................................................. 33
3.2.2.3
Interruptores magneto-térmicos ....................................................................... 34
3.2.2.4
Interruptores diferenciales ................................................................................ 37
3.2.3
Contactores ...............................................................................................39
3.2.4
Fusibles para baja tensión ........................................................................40
3.2.5
Relés ..........................................................................................................42
3.2.6
Varistores ..................................................................................................43
3.2.7
Toma de Tierra..........................................................................................45
4
TIPOS DE PROTECCIONES NECESARIAS EN INSTALASIOENS
ELÉCTRICAS...............................................................................................................................50
4.1
PROTECCIÓN CONTRA SOBRECORRIENTES ...........................................................50
4.1.1
Protección contra sobrecargas .................................................................51
4.1.2
Protección contra cortocircuitos ..............................................................53
4.1.2.1
cortocircuitos
Dimensionamiento de la protección de conductores contra sobrecargas y
......................................................................................................................... 54
9
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz –Ambrona, Cristina
4.2
PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES .............................................................55
4.3
PROTECCIÓN CONTRA EL CHOQUE ELÉCTRICO .....................................................57
4.3.1
Protección contra el contacto directo .......................................................60
4.3.2
Protección contra el contacto indirecto ....................................................61
4.3.2.1
4.3.3
5
Circuitos en alterna .......................................................................................... 62
Circuitos en continua ................................................................................68
APLICACIÓN DE LA NECESIDAD DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS A
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS ...........................................................................70
5.1
PROTECCIÓN CONTRA SOBRECORRIENTES ...........................................................70
5.2
PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES .............................................................70
5.2.1
5.3
Características de las protecciones contra rayos .....................................71
PROTECCIONES CONTRA CHOQUE ELÉCTRICO (ELECTROCUCIÓN) ........................77
5.3.1
Protección contra el contacto directo .......................................................78
5.3.2
Protección contra el contacto indirecto ....................................................81
5.3.3
Recapitulación ..........................................................................................96
6
ESTANDARIZACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN PARA
INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AISLADAS.............................................................100
6.1
SHS: P<100WP. ................................................................................................101
6.2
SHS: 100<P<700 WP ........................................................................................104
6.3
SHS: P>700 WP ................................................................................................108
6.4
CENTRAL HÍBRIDA ............................................................................................112
6.5
ANÁLISIS ECONÓMICO .......................................................................................117
7
CONCLUSIONES ...............................................................................................122
8
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................125
10
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz –Ambrona, Cristina
ÍNDICE DE FIGURAS Y
TABLAS
Fig.2 1 Funcionamiento de una célula solar. ........................................................ 19
Fig. 3 1 Interruptores............................................................................................. 30
Fig. 3 2 Curva característica ce un disparo térmico .............................................. 32
Fig. 3 3 Curva característica de un disparo magnético ......................................... 33
Fig. 3 4 Curva característica de un magnetotérmico............................................. 35
Fig. 3 5 Curva característica de un diferencial...................................................... 37
Fig. 3 6 Curva característica de un fusible............................................................ 41
Fig. 3 7 Curva característica de un varistor........................................................... 45
Fig. 3 8 Esquema de una Toma de Tierra ............................................................. 46
Fig. 4-1 Contactos directos e indirectos............................................................... 58
Fig. 4-2 Efectos fisiológicos de la corriente eléctrica ........................................... 59
Fig. 4-3 Tablas Tiempo/Corriente......................................................................... 59
Fig. 4-4 Tipo de protección de los equipos ........................................................... 61
Fig. 4-5 Tiempos de desconexión requeridos según el valor de la tensión de
contacto prevista y curva tiempo/corriente (mA) equivalente (en gris)........ 63
Fig. 4-6 Esquema de puesta a tierra TT ................................................................ 64
Fig. 4-7 Esquema de puesta a tierra IT ................................................................. 66
Fig. 4-8 Esquema de puesta a tierra TN-S ............................................................ 67
11
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz –Ambrona, Cristina
Fig. 5-1 Niveles de seguridad y eficiencia de los dispositivos de protección frente
a sobretensiones ............................................................................................ 72
Fig. 5-2 Esquema de un SHS ............................................................................... 73
Fig. 5-3 Sistema de puesta a tierra y sistema flotante .......................................... 80
Fig. 5-4 Fallo de aislamiento entre fase y una carcasa metálica .......................... 83
Fig. 5-5 Fallo de aislamiento entre fase y tierra con esquema TN-S ................... 85
Fig. 5-6 Sistema Clase II....................................................................................... 86
Fig. 5-7 Caja de madera casera de 3cm de espesor utilizada para convertir un
inversor Clase I en uno Clase II .................................................................... 87
Fig. 5-8 Sistema ideal de tierra donde la corriente de fuga es nula ...................... 88
Fig. 5-9 Sistema real aislado de tierra, cuya corriente de fuga es muy pequeña
debido a que la impedancia parásita es muy pequeña................................... 89
Fig. 5-10 Sistema aislado de tierra. Riesgo de choque eléctrico al tocar dos
carcasas metálicas en las que se ha producido fallos de aislamiento
simultáneamente............................................................................................ 90
Fig. 5-11 Sistema de protección mediante conductor equipotencial.................... 91
Fig. 5-12 Ejemplo de separación física entre circuitos de alterna y continua....... 93
Fig. 6-1 Porcentajes de costes para un SHS de 700Wp ...................................... 117
Fig. 6-2 Porcentajes de costes para un SHS de2300 Wp .................................... 118
Fig. 6-3 Porcentajes de costes para una Central Híbrida .................................... 119
12
1
INTRODUCCIÓN
13
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
1 INTRODUCCIÓN
1.1 Motivación del proyecto
El creciente desarrollo de los sistemas energéticos renovables, entre los
que se incluye la energía solar, tiene una importancia relevante en nuestros días.
La necesidad de este desarrollo surge como resultado de una nueva
conciencia en lo que a medio ambiente se refiere, la cual implica la necesidad de
potenciar a todos los niveles el uso de energías limpias, y a un evidente problema
de agotamiento de los combustibles fósiles usados hasta ahora como medios de
obtención de la energía.
La electricidad de origen fotovoltaico se presenta, a nivel mundial, como
una de las alternativas más importantes en relación a la necesidad de disponer de
una fuente energética limpia, segura, de calidad y compatible con el medio
ambiente.
La electrificación en los países en vías de desarrollo se caracteriza por una
red que apenas está extendida fuera de las zonas urbanas o industrializadas, en las
cuales sólo habita un 15% de la población cuyos ingresos son bastante mayores a
los ingresos del 85% de la población restante. Siendo, además, la situación de
estos últimos mucho más precaria y con poca tendencia a mejorar (Muñoz, J; 04).
La electrificación descentralizada surge en nuestros días como una alternativa a la
extensión de la red para el suministro eléctrico en zonas aisladas de ella, en
particular, en zonas rurales de países pobres.
14
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
La tecnología fotovoltaica se presenta como una alternativa adecuada para
afrontar los problemas de la electrificación rural descentralizada. Un sistema
fotovoltaico es un conjunto de elementos cuyo propósito es generar energía
eléctrica a partir de la radiación solar. Las aplicaciones han ido evolucionando
desde los sistemas comunitarios hasta los sistemas domésticos individuales. La
experiencia acumulada después de 30 años de convivencia con el estudio solar
pone en evidencia la falta de consenso en asuntos de destacada importancia.
El que la electrificación rural sea costosa se debe a su carácter
descentralizado, por lo que ni la disminución del coste de los paneles, ni una
nueva tecnología alteraría esta particularidad. Por otro lado se debe tener en
cuenta que el valor de un tendido nuevo en cada uno de estos recónditos lugares
supera con creces al valor de las instalaciones descentralizadas. La forma de
asegurar el mantenimiento de los sistemas a largo plazo es garantizar la calidad
técnica de los mismos (Muñoz, J; 04).
Los sistemas fotovoltaicos autónomos básicos constan de un sistema de
producción de energía (los paneles solares), un sistema regulador de dicha energía
que evita las sobrecargas y descargas de las baterías y un sistema de acumulación
para la energía generada y no consumida (las baterías) que será consumida
posteriormente. La generación de energía se realiza en corriente continua, la cual,
en la mayoría de los casos, debe ser transformada a corriente alterna para adaptar
su utilización a los equipos electrónicos comercializados en el mercado, cuyo
suministro eléctrico se realiza en corriente alterna.
Se habla, por tanto, de sistemas que combinan el uso de corriente alterna y
corriente continua, con una serie de particularidades distintas de las que se pueden
encontrar en la red habitual. A diferencia de ésta, en instalaciones fotovoltaicas, y
pese a su larga vida ya en el mercado, no existe un Reglamento universal que
regule el diseño de las mismas, por lo que a la hora de proteger tanto al sistema
15
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
como al usuario no disponemos de un modelo estandarizado. Lo que se pretende
en el desarrollo de este proyecto es hacer un estudio sobre los estándares de
protecciones existentes en el mercado y sobre los puntos que necesitan de
protecciones en las instalaciones fotovoltaicas, para así poder hacer una
adaptación de aquellos a estos últimos teniendo siempre en cuenta las Normas
internacionales que regulan el uso de la electricidad.
1.2 Objetivos del proyecto
Los principales objetivos del proyecto se definen a continuación:
•
Se realizará un estudio de los sistemas de protección utilizados
actualmente en instalaciones eléctricas tanto en corriente continua como en
alterna, analizando sus costes, funcionamiento y componentes.
•
Se
analizarán
las
distintas
instalaciones
fotovoltaicas
aisladas,
estudiando sus zonas de peligro, su aparamenta, la ubicación de los mismos en
planos. Para concluir que zonas deben ser protegidas, justificando así la
necesidad de una estandarización en la utilización de protecciones en este tipo
de instalaciones.
•
Se hará la estandarización de protecciones en instalaciones fotovoltaicas
aisladas, para alterna y continua, adaptando Normativa y Reglamentos y
mediante el análisis de las conclusiones obtenidas en el estudio anterior.
16
2
FUNCIONAMIENTO
DE INSTALACIONES
FOTOVOLTAICAS
17
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
2 FUNCIONAMIENTO DE LAS
INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS
2.1 Funcionamiento de las células solares
La cantidad de energía que el planeta recibe anualmente del sol es del
orden de 1500 millones de TWh, cantidad muy superior al consumo mundial de
energía. El reto que se plantea es convertirla de forma eficiente en energía
eléctrica.
Los sistemas fotovoltaicos, sirviéndose de las propiedades de los
materiales semiconductores, son capaces de transformar la energía radiada por el
sol en energía eléctrica sin necesidad de reacciones químicas, ciclos
termodinámicos o procesos mecánicos que requieran partes móviles.
El proceso de transformación de energía solar en energía eléctrica se
produce en la célula solar, la cual está formada por un elemento semiconductor,
normalmente silicio. Cuando la luz del sol incide sobre una de estas células
fotovoltaicas, los fotones emitidos por el sol, si poseen la energía adecuada,
interaccionan con los electrones del material semiconductor, donándoles su
energía y permitiéndoles liberarse, produciendo así un movimiento de electrones
dentro de la célula. La tecnología fotovoltaica consigue que parte de esos
electrones salgan al exterior del material semiconductor y se genere una corriente
eléctrica capaz de circular por un circuito externo.
18
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Fig.2 1 Funcionamiento de una célula solar.
1) Electrodo negativo
2) Electrodo positivo
3) Silicio dopado N
4) Silicio dopado P
5) Capa de interacción de una célula solar cristalina
Se trata de un sistema de producción eléctrica renovable que dispone de un
combustible infinito, la luz solar, y tecnológicamente basado en una materia
prima, el silicio, prácticamente inagotable, ya que después del oxígeno, es el
material más abundante en la Tierra.
Las instalaciones fotovoltaicas se caracterizan por ser simples, fáciles de
instalar, modulares, de gran duración, escaso mantenimiento, elevada fiabilidad y
sin contaminación ambiental y acústica.
19
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
2.2 Sistemas fotovoltaicos aislados y sistemas fotovoltaicos
conectados a red
Dentro de las instalaciones fotovoltaicas de debe destacar la existencia de
dos clases de sistemas: aquellos que están conectados a la red y los que por el
contrario son aislados.
En los sistemas fotovoltaicos conectados a red no se necesita un sistema de
almacenamiento de energía. La energía que se produce es transportada
directamente por las líneas de transporte a los centros de consumo.
Por el contrario, los sistemas fotovoltaicos aislados se caracterizan por su
funcionamiento independiente de la red eléctrica. Son instalaciones habituales en
lugares donde el acceso a la misma es difícil y es más económico hacer uso de una
fuente fotovoltaica. Estos a su vez se clasifican en sistemas fotovoltaicos directos
(sin acumulación) y sistemas fotovoltaicos con acumulación.
Los sistemas fotovoltaicos directos no poseen ningún subsistema de
acumulación eléctrica. Son típicos en aplicaciones donde la disponibilidad de la
energía no es algo determinante y el consumo se puede adaptar a los momentos en
que exista radiación solar. Son dispositivos de pequeña potencia como
calculadoras, cargadores, etc. Así como sistemas de bombeo solar directo o
aplicaciones espaciales como el vehículo de exploración de Marte.
Pero la gran mayoría de los sistemas autónomos requieren un sistema de
acumulación mediante baterías, de forma que su funcionamiento no se vea
alterado por la variabilidad de la radiación solar. La cantidad de energía que se
20
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
necesita acumular se calcula en función de las condiciones climáticas y del
consumo de electricidad. El número de paneles a instalar debe calcularse teniendo
en cuenta la demanda energética en los meses más desfavorables y las condiciones
técnicas óptimas de orientación e inclinación de los paneles, dependiendo del
lugar de la instalación.
Los elementos básicos que constituyen este tipo de instalaciones aisladas
son los siguientes:
•
Generador fotovoltaico: transforma la energía del sol en energía eléctrica
y carga las baterías.
•
Regulador de carga: controla la carga de las baterías para evitar que se
originen sobrecargas o descargas excesivas que reducen la vida útil de las
mismas. En esta parte es posible añadir un sistema de seguimiento del punto
máximo de potencia.
•
Baterías: acumulan la energía y cuando no hay generación solar
proporcionan directamente la energía eléctrica.
•
Inversor: transforma la corriente continua que generan los paneles en
corriente alterna ya que la mayoría de electrodomésticos que se comercializan
trabajan en alterna.
Las aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos aislados con baterías son
numerosas: en instalaciones espaciales, telecomunicaciones, sistemas de
señalización, de bombeo, zonas protegidas medioambientalmente, alumbrados de
calles y carreteras, sistemas centralizado para poblaciones rurales aisladas,
electrificación de viviendas aisladas, etc.
El mantenimiento requerido por estos dispositivos es mínimo siendo
mayor el de las baterías, ya que los paneles solares tienen una vida de entre 20 y
21
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
30 años a lo largo de los cuales sólo necesitan un mínimo de limpieza para que su
rendimiento sea máximo
A la hora de realizar una instalación de este tipo se deben de tener en
cuenta varios parámetros tales como la potencia pico del campo fotovoltaico, las
corrientes máximas de entrada y salida del regulador y la potencia nominal del
inversor, así como el dimensionado de los elementos de protección.
Este proyecto basa su estudio en los sistemas fotovoltaicos aislados con
sistemas de acumulación de energía. Para el análisis de los mismos, se han
subdividido en dos grupos:
•
Los Solar Home Systems (SHS, en adelante) o sistemas domésticos.
•
Los sistemas centralizados o centrales híbridas.
2.2.1 Solar Home Systems
Un SHS, es un sistema fotovoltaico aislado de red que permite la
electrificación de pequeñas viviendas. No requiere de ninguna línea de
distribución. La energía generada se almacena en las baterías y se consume en el
mismo sitio donde encuentra la instalación Se caracterizan por:
•
Es la tipología más usada en el mundo.
•
Sistema de gran sencillez.
•
Necesidad de capacitación a nivel usuario
22
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
La estructura básica de un SHS es la siguiente:
ESQUEMA UNIFILAR SISTEMA DE ELECTRIFICACIÓN
RURAL
LUMINARIAS
GENERADOR FOTOVOLTAICO
REGULADOR
EQUIPOS DC
BATERÍA
INVERSOR
EQUIPOS AC
2.2.2 Sistemas centralizados
Estos sistemas permiten la electrificación de una zona de viviendas, ya que
suministran mayores valores de potencia al ser instalaciones más grandes, que
poseen mayor número de paneles y de baterías. Se caracterizan por:
•
Tener una pequeña Red de distribución.
•
Posibilidad de conectar algún tipo de generador auxiliar (Eólico,
diesel,....).
23
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
•
Necesidad de capacitación a nivel técnico
La estructura básica de un sistema de este tipo es la siguiente:
Existe una variante a este tipo de sistemas que son los sistemas híbridos,
los cuales combinan una fuente renovable, en este caso sería una de características
fotovoltaicas, con un grupo electrógeno (grupos diesel). Así cuando la generación
energética de la fuente renovable no es suficiente (debido a que se suceden varios
días nublados, sin sol, por ejemplo), éste entra en funcionamiento para no
suspender el suministro.
Las características básicas de este tipo de sistemas son:
24
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Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
•
Funcionamiento del grupo diesel durante el horario de consumo pico
•
Ahorro de combustible y disminución de la contaminación
•
Funcionamiento del sistema fotovoltaico durante el resto del día
•
Reducción de las necesidades de potencia fotovoltaica a instalar
La configuración básica de uno de estos sistemas es la siguiente:
25
3
SISTEMAS
ELÉCTRICOS DE
PROTECCIÓN
26
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
3 SISTEMAS ELÉCTRICOS DE
PROTECCIÓN
3.1 Necesidad de las protecciones eléctricas
La creciente utilización de la energía eléctrica, en todas las aplicaciones de
la vida actual, aconseja elaborar la información precisa dirigida al usuario sobre
los medios de protección y los riesgos propios de este tipo de energía.
Debe tenerse en cuenta el hecho de que las descargas eléctricas son las
causantes de numerosos accidentes mortales, debido al contacto de personas con
partes metálicas que se encuentran accidentalmente en tensión, o con partes bajo
tensión. Estudios realizados sobre accidentes por causas eléctricas demuestran que
en la mayoría de los casos, los medios de seguridad previstos no fueron
suficientes para garantizar la seguridad de las personas, o bien no estuvieron
correctamente instalados, o incluso, su capacidad protectora había disminuido por
el paso del tiempo.
Por tanto, toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de
protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los conductores
y los aparatos a ellos conectados como de las personas que trabajan en ella. Se
podría definir protección eléctrica, como el conjunto de equipos necesarios para la
detección y eliminación de los incidentes en los sistemas o instalaciones
eléctricas.
27
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Existen muchos tipos de protecciones que pueden hacer una instalación
eléctrica completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que
deben usarse en todo tipo de instalaciones:
•
Protección contra cortocircuitos.
•
Protección contra sobrecargas.
•
Protección contra electrocución.
En todo accidente eléctrico interviene siempre una cantidad de energía que
se transforma. Esta transformación puede producirse, o bien directamente sobre la
persona, causándole lesiones orgánicas de origen eléctrico, o desencadenando un
proceso energético que de lugar a un accidente de otra naturaleza, siendo en este
caso la corriente eléctrica la causa indirecta.
El proceso mediante el cual una persona recibe energía eléctrica en un
accidente directo puede ser una simple exposición a las radiaciones
electromagnéticas, siendo mucho más frecuentes y graves los casos en el que la
víctima quede acoplada eléctricamente a red.
Es preciso, por tanto, examinar el grado de peligrosidad de la corriente
eléctrica, en función de tres variables físicas: intensidad, frecuencia y tiempo de
duración. A la vez deben analizarse los valores de impedancia que presenta el
cuerpo humano y que dependerán de las distintas trayectorias seguidas por la
corriente eléctrica, así como de la naturaleza y estado de los tejidos atravesados,
para todos lo valores posibles de la frecuencia. Se obtienen así, datos que puedan
establecer el grado de peligrosidad en función de la tensión para distintos valores
de la corriente eléctrica.
28
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
En
toda
electrificación
corporal
es
importante
considerar
el
establecimiento de un régimen transitorio de corriente a través del cuerpo, cuya
duración puede ser importante en función de los tiempos considerados como
umbrales de peligro, por lo que los valores de tensión, intensidad e impedancia
deben definirse con precisión.
A la hora de elegir una protección ha de tenerse presente:
•
Que sea adecuada por sus características, en función de las
circunstancias concurrentes en cada caso. Para ello es aconsejable hacer uso de
las curvas de funcionamiento, que relacionan la intensidad que circula con el
tiempo de fusión o desconexión.
•
Que el poder de corte de la protección (expresado normalmente en kA)
sea adecuado a la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en el punto
donde se sitúa la protección.
29
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
3.2 Estudio del Arte de los principales sistemas de protección de
instalaciones eléctricas
3.2.1 Interruptores
Un interruptor se puede definir de forma general como un dispositivo
mecánico de conexión y desconexión eléctrica, capaz de establecer, soportar e
interrumpir la corriente en las condiciones normales de funcionamiento del
circuito donde va asociado.
La extinción del arco eléctrico, se logra con una tensión e intensidad
nominal del interruptor pequeñas. Por ello la dificultad de extinguir el arco crece
enormemente según estas dos variables.
A continuación se muestra un ejemplo de la estructura de un interruptor
con uno o con dos contactos.
Fig. 3 1 Interruptores
30
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
3.2.1.1 Interruptores automáticos
Son aparatos utilizados para establecer e interrumpir circuitos eléctricos,
caracterizándose por necesitar una fuerza exterior que los conecte pero que por el
contrario, se desconectan por sí solos, sin deteriorarse, cuando el circuito al que
pertenecen presenta alguna anomalía a la cual son sensibles.
Las características principales de este tipo de dispositivo son:
•
Intensidad nominal de funcionamiento, que es la corriente que circula
por el interruptor, sin que se produzcan alteraciones en sus elementos.
•
Poder de corte, que es el valor máximo de funcionamiento del
interruptor, sin que se produzcan deformaciones o alteraciones extrañas,
debidas a las corrientes de cortocircuito.
•
Curvas de funcionamiento; tipos de curvas normalizadas, Intensidad-
Tiempo, que reflejan tiempos de actuación en función de la sobreintensidad.
Las anomalías que detectan este tipo de protecciones son de cuatro tipos:
•
Sobreintensidades
•
Cortocircuitos
•
Sobretensiones o bajas tensiones
•
Descargas eléctricas a las personas
Los interruptores automáticos que responden a estas anomalías se
denominan respectivamente: Térmicos, Magnéticos, de máxima y mínima tensión
y Diferenciales.
31
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
3.2.1.2 Interruptores térmicos
Son interruptores automáticos que reaccionan ante sobreintensidades
ligeramente superiores a la nominal, asegurando una desconexión en un tiempo lo
suficientemente corto para no perjudicar ni a la red ni a los receptores asociados
con él.
Fig. 3 2 Curva característica ce un disparo térmico
Según muestra la figura 2, este dispositivo permite trabajar en la zona A
pero no llegar a la zona B. La interrupción del circuito se produce siempre cuando
las condiciones de trabajo llegan a la zona rayada que marca la separación entre
ambas. Esta zona rayada marca las tolerancias que tiene la fabricación de este tipo
de aparatos.
32
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
3.2.1.3 Interruptores magnéticos
Son interruptores automáticos que reaccionan ante sobreintensidades de
alto valor, cortándolas en tiempos lo suficientemente cortos como para no
perjudicar ni a la red ni a los aparatos asociados a ella.
Su desconexión se basa en el movimiento de un núcleo de hierro dentro de
un campo magnético proporcional al valor de la intensidad que circula.
Fig. 3 3Curva característica de un disparo magnético
33
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
El dispositivo permite trabajar en la zona A pero no en la B. La
desconexión se efectúa cuando las condiciones del circuito llegan a la zona rayada
de separación entre ambas. El límite inferior de la curva (unos 4 milisegundos),
viene determinado por el tiempo que transcurre desde el instante de
establecimiento de la intensidad, hasta la extinción del arco. Este tiempo marca la
inercia mecánica y eléctrica propia de estos aparatos.
3.2.1.4 Interruptores magneto-térmicos
Estos interruptores combinan normalmente varios de los sistemas descritos
anteriormente en un solo aparato. Se caracterizan por ser los más utilizados.
34
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Fig. 3 4Curva característica de un magnetotérmico
Si se observa la curva característica de un interruptor magnetotérmico, se
puede diferenciar fácilmente una zona térmica (zona A), una zona de
comportamiento magnético (zona B), y una zona donde el disparo se puede
producir por cualquiera de los dos efectos, térmico o magnético, indistintamente
(Zona C). Se debe destacar que en estas curvas se coloca en el eje vertical la
escala de tiempos graduada de forma logarítmica, y en el eje horizontal, graduada
también de forma logarítmica, la escala de intensidades en forma de múltiplos de
la intensidad nominal.
Cabe destacar como característica de estos dispositivos que cuando se
produce una desconexión, ya sea por sobrecarga o por cortocircuito, el aparato
desconecta aunque se sujete la manecilla de conexión. En el caso de los bipolares
o tripolares, cuando una fase sufre una desconexión, ésta se transmite a todos los
35
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
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polos por conexiones internas, independientemente de la posición de la manecilla
en cada polo.
Si se compara un magnetotérmico con un fusible, se observa que aquellos
presentan más seguridad y prestaciones, ya que interrumpen los circuitos
eléctricos con mayor rapidez y capacidad que los fusibles. Además, a la hora de
volver a conectar el circuito no se requiere sustitución del dispositivo ni personal
cualificado, basta con presionar un botón o mover un resorte perfectamente
aislado y visible. Sin embargo, un fusible requiere la compra de un cartucho
nuevo y una persona cualificada que lo coloque en su sitio, por la tensión a la que
está sometido. Estos inconvenientes conducen, en muchos casos, a una mala
colocación del cartucho o a la exposición de ciertos peligros de personas
inexpertas que realizan la operación sin conocer los riesgos que ello conlleva.
Como se ha dicho anteriormente, en el caso de que una fase de un
magnetotérmico tripolar sufra una perturbación, al disparar su polo arrastra a los
otros dos y desconecta por completo el sistema. En el caso de haber instalado tres
fusibles en su lugar, al producirse la perturbación se fundiría el fusible
correspondiente a la fase y el sistema seguiría funcionando con dos fases, lo que
acarrearía numerosas averías.
El precio de los magnetotérmicos se ha reducido enormemente, por lo que
su uso es frecuente aunque eso no implica que los fusibles no se sigan utilizando
en cuadros generales de protección o en situaciones que se requiera una
protección adicional.
Otra particularidad que poseen es que se pueden desconectar a distancia
mediante el acoplamiento de una bobina llamada de emisión, cuando es accionada
por la aparición de una tensión, o de mínima tensión, cuando se acciona con la
36
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
desaparición de la tensión, que se encarga de accionar el resorte de desconexión
del magnetotérmico.
3.2.1.5 Interruptores diferenciales
Son interruptores automáticos que evitan el paso de corriente peligrosa
para el cuerpo humano. Los efectos que puede producir la corriente sobre el
cuerpo humano, dependen de su intensidad y su duración.
Fig. 3 5 Curva característica de un diferencial
37
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
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Si se observa la curva característica del diferencial, se pueden apreciar
cuatro zonas importantes. En la zona A, los efectos que puede producir la
corriente sobre el cuerpo humano son inofensivos, en la zona B, puede provocar
daños que pueden ser peligrosos, y en la zona C, los efectos pueden llegar a ser
mortales ya que se puede producir la fibrilación ventricular y la inconsciencia del
ser humano, y una zona D que es la curva característica del diferencial. Para un
mismo valor de intensidad, según el tiempo de exposición, la posición en la
gráfica puede variar de una zona A, a una zona C, por eso se ha dicho
anteriormente, que dicho tiempo de exposición es muy importante a la hora de
diseñar la protección.
La desconexión, en caso de que sea requerida, la realiza el diferencial, ya
que bajo su zona característica existe una zona de trabajo donde no se produce la
desconexión por hallarse en zona A, zona de seguridad, pero en el momento en
que los valores intensidad-tiempo comienzan a crecer, llegando a situarse en
zonas peligrosas como la zona B o la zona C, se cruza la banda de desconexión D
y el interruptor se abre.
El funcionamiento de los diferenciales se basa en una propiedad de los
circuitos bifásicos o trifásicos, en los que la suma de intensidades es igual a cero
cuando no existen fugas. Cuando por algún motivo la suma de intensidades no es
cero, en la bobina auxiliar aparece una tensión que aplicada a otra pequeña
bobina, acciona un pivote que a su vez acciona el dispositivo mecánico que abre
los contactos principales del circuito. El dispositivo de disparo automático es de
“libre mecanismo”, es decir, que aún reteniendo el mando correspondiente en la
posición de circuito cerrado, ésta se abre si así lo requiere el circuito.
Los diferenciales se suelen fabricar normalmente con una sensibilidad de
30 o 300 mA. La intensidad nominal que puede controlar depende de las
dimensiones de los contactos principales, pero suele estar comprendida entre 25 y
38
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
63 mA, siendo las más habitual la de 40 mA. Se fabrican dos tipos de
diferenciales: uno de dos polos para sistemas bifásicos y otros de cuatro polos
para sistemas trifásicos con neutro.
3.2.2 Contactores
Un contactor se define como un aparato mecánico de conexión y
desconexión eléctrica, accionado por cualquier forma de energía, menos manual,
capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales del
circuito, incluso las de sobrecarga. Las energías utilizadas para accionar un
contactor pueden ser muy variadas siendo los contactores más utilizados en la
industria aquellos accionados mediante la energía magnética proporcionada por
una bobina.
Por tanto, lo que caracteriza a un contactor es la tensión que se aplica a la
bobina de accionamiento, así como su intensidad ó potencia. Existe una extensa
gama de tensiones de accionamiento, tanto en continua como en alterna, siendo
las más utilizadas, 24 V, 48 V, 220 V, y 380 V. La intensidad y potencia de la
bobina, que naturalmente dependen del tamaño del contador, presentan también
una gama muy amplia variando normalmente de 5 A hasta varios cientos de
amperios, lo que equivale a decir que estos dispositivos son capaces de controlar
un amplio margan de potencias.
A la hora de establecer la corriente característica de un contactor, se
consideran cargas puramente óhmicas y con ellas se garantiza un número concreto
de maniobras. Pero si el cosφ de la carga que se alimenta es menor que uno, la
vida útil del contactor se ve reducida debido a los efectos destructivos del arco
eléctrico.
39
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
3.2.3 Fusibles para baja tensión
Los fusibles son los medios más antiguos de protección de los circuitos
eléctricos y se basan en la fusión por efecto Joule de un hilo o lámina intercalada
en la línea como punto débil. Poseen formas y tamaños diferentes según sea la
intensidad a la que deben fundirse, la tensión del circuito donde se conecten y el
lugar donde se empleen.
Su forma es circular cuando la corriente que controlan es pequeña, o están
formados por varias láminas si la corriente es grande. El material del que está
constituido en ambos casos es un metal o una aleación de bajo punto de fusión
(normalmente plomo, estaño, zinc, etc.) Existen dos tipos de fusibles para baja
tensión:
¾ Fusible de empleo general: gl. Se utilizan en la protección de
líneas, estando diseñada su curva intensidad-tiempo para una
respuesta lenta en las sobrecargas y rápida en los cortocircuitos.
¾ Fusible
de
especialmente
acompañamiento
para
de
motores,
motor:
teniendo
aM.
una
Se
diseñan
respuesta
extremadamente lenta a las sobrecargas y rápida a los
cortocircuitos.
Las dos características de un fusible son su intensidad nominal y su poder
de corte. La intensidad nominal es la intensidad normal de funcionamiento para la
cual ha sido diseñado, y el poder de corte es la intensidad máxima de cortocircuito
capaz de ser interrumpida por el fusible. Para una misma intensidad el tamaño de
un fusible depende de su poder de corte, normalmente comprendido entre 6.000 y
100.000 A.
40
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Un gran inconveniente de los fusibles es la imprecisión que tiene su curva
característica de fusión frente a otros dispositivos que cumplen el mismo fin, tales
como los interruptores automáticos, ya que la banda de dispersión de los fusibles
es mayor que la de los interruptores automáticos.
Otro inconveniente de los fusibles es la facilidad que tienen de poder ser
usados con una misma disposición de base, hilos o láminas no adecuadas. Así
mismo, la independencia de actuación de los fusibles en una línea trifásica supone
un serio problema, ya que con la fusión de uno de ellos se deja a la línea a dos
fases, con los inconvenientes pertinentes que ello conlleva.
Fig. 3 6 Curva característica de un fusible
41
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Entre la fuente de energía y el lugar de defecto suele haber varios aparatos
de protección contra cortocircuitos. Para desconectar la zona afectada, es
necesario que los fusibles reaccionen de forma selectiva, es decir, debe
desconectarse primero el fusible más próximo al lugar de defecto. Si por alguna
causa este fusible no responde correctamente, debe actuar el siguiente, y así
sucesivamente.
La selectividad entre dos fusibles se determina gráficamente mediante la
comparación de sus características de disparo. Ambas curvas, a la misma escala,
no deben cortarse ni ser tangentes. Esto se cumple en el caso de sobrecargas y
pequeñas intensidades de cortocircuito, pero no en el caso de intensidades muy
grandes de cortocircuito, ya que aquí los tiempos de fusión son extremadamente
cortos y solamente es posible la selectividad en fusibles con una notable
diferencia de valor nominal de la intensidad.
3.2.4 Relés
Un relé es un interruptor operado magnéticamente, que se activa o
desactiva, según la conexión, cuando un electroimán, que forma parte del mismo,
es energizado, es decir, se le aplica un voltaje determinado para que funcione, lo
cual provoca que exista conexión o no entre dos o más terminales del dispositivo.
Es importante conocer cuál es la resistencia del bobinado del electroimán
que activa el relé y con cuánto voltaje éste se activa. Dicho voltaje y dicha
resistencia determinan la magnitud que debe de tener la señal que activará el relé
y cuánta corriente se debe suministrar al mismo. La corriente se obtiene con ayuda
de la Ley de Ohm (I = V / R), donde:
42
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
I es la corriente necesaria para activar el relé
V es el voltaje para activar el relé
R es la resistencia del bobinado del relé
3.2.5
Varistores
Los varistores proporcionan una protección fiable y económica contra
transitorios de alto voltaje que pueden ser producidos, por ejemplo, por
relámpagos, conmutaciones o ruido eléctrico en líneas de potencia de corriente
continua o corriente alterna.
Estos dispositivos descargadores de tensión, deben colocarse lo más cerca
posible del elemento a proteger y su misión es la de derivar a tierra el exceso de
tensión que tras la descarga de un rayo puede circular por la línea.
Se conecta uno por fase conectando sus entradas a la red y sus salidas a
una toma de tierra, que ha de ser independiente de las tomas de tierra de
protección contra contactos indirectos, pero, a su vez, ambas tomas deben estar
conectadas entre sí, si simultáneamente son accesibles.
Un varistor es una resistencia especial muy elevada, cuyo valor disminuye
al aumentar la tensión a ella aplicada. Cuando un rayo cae sobre la línea, aparece
en ésta una punta de tensión muy elevada Vr , que se sobrepone a la tensión
nominal de la red Vn y que circula por la línea hasta que pueda derivarse a tierra.
Al llegar esta sobretensión a los varistores sus valores de resistencia disminuyen
bruscamente, haciendo que se esa sobretensión se derive a tierra, I r . Al
desaparecer la sobretensión, la resistencia del dispositivo recupera su alto valor, y
43
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
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la corriente pasa de nuevo a la línea. No obstante, durante la descarga siempre
pasa una parte de la sobretensión, que se denomina residual, U p , a la línea . Por
tanto a la hora de diseñar una protección de este tipo de debe tener en cuenta: Vr ,
Vn , I r y U p .
Los varistores tienen la ventaja sobre los diodos (supresores de
transitorios) que, al igual que ellos, pueden absorber energías transitorias (incluso
más altas) pero además pueden suprimir los transitorios positivos y negativos.
El pico máximo de corriente permitido a través del varistor depende de la
forma del impulso y del número de pulsos. Con el fin de caracterizar la capacidad
del varistor para resistir impulsos de corriente, se permite generalmente que
garantice un ‘máximo impulso de corriente no repetitiva’. Este viene dado por un
impulso caracterizado por la forma del impulso de corriente desde 8
microsegundos a 20 microsegundos siguiendo la norma “IEC 60-2”, con tal que la
amplitud del voltaje del varistor medido a 1 mA no lo hace cambiar más del 10%
como máximo.
Un impulso mayor que el especificado puede ocasionar cortocircuitos o
ruptura del propio componente; se recomienda por lo tanto instalar un fusible en
el circuito que utiliza el varistor, o utilizar una caja protectora.
Si se aplica más de un de impulso o el impulso es de una duración mas
larga, habría que estudiar las curvas que al efecto nos proporcionan los
fabricantes, estas curvas garantizan la máxima variación de voltaje (10%) en el
varistor con 1 mA.
44
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Fig. 3 7 Curva característica de un varistor
3.2.6 Toma de Tierra
Se define como "Toma de Tierra" a la unión eléctrica de un conductor con
la masa terrestre. Esta unión se lleva a cabo mediante electrodos enterrados,
obteniendo con ello una toma de tierra cuya resistencia de "empalme" depende de
varios factores, tales como: superficie de los electrodos enterrados, profundidad
de enterramiento, clase de terreno, humedad y temperatura del terreno, etc.
Según la norma 039 MIBT correspondiente a puestas de tierra, se
establecen las tomas de tierra con objeto de:
•
Limitar la tensión que con respecto a tierra puedan presentar las masas
metálicas en un momento dado.
•
Asegurar la actuación de las protecciones.
45
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
•
Eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en el material
eléctrico utilizado.
La puesta a tierra como protección va siempre asociada a un dispositivo
de corte automático, sensible a la intensidad de defecto, que origina la
desconexión del circuito.
Así, la corriente a tierra producida por un defecto franco (resistencia de
fuga nula, Rf = 0), debe hacer actuar el interruptor automático magnetotérmico en
un tiempo lo más reducido posible. Tal y como se aprecia en la figura, la
intensidad de fuga será igual a:
Si Rt es pequeña, la intensidad de fuga resultará ser grande, provocando el
disparo del magnetotérmico (ICP).
Fig. 3 8 Esquema de una Toma de Tierra
46
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Un ligero defecto de aislamiento provoca una resistencia de fuga
relativamente grande, y en consecuencia una intensidad de fuga pequeña, por lo
que el magnetotérmico no podrá actuar. No obstante, la parte exterior del aparato
receptor se encontrará a una tensión, con respecto a tierra, de:
Tensión que puede ser peligrosa para la persona que toque la envoltura
metálica del receptor en cuestión. Si en estos casos se desea tener protección, se
debe disponer de un interruptor automático diferencial, capaz de cortar el circuito
con la intensidad de fuga que se determine.
Según el Reglamento de Baja Tensión, una masa cualquiera no debe estar
a una tensión eficaz superior, con respecto a tierra, de:
•
24 V en locales o emplazamientos húmedos.
•
50 V en locales o emplazamientos secos.
Por lo tanto, la sensibilidad de los diferenciales deberá ser, en cada caso,
de:
Estos valores son en teoría, ya que en la práctica para las tomas de tierra
se exige que tengan una resistencia notablemente inferior.
47
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Los electrodos utilizados para obtener una toma de tierra para
aplicaciones de baja tensión, suelen tener formas muy variadas, aunque los más
comúnmente utilizados tienen forma de barra o de placa. (Ver Anexo A-1, Picas
de puesta a tierra).
48
4
TIPOS DE
PROTECCIONES
NECESARIAS EN
INSTALACIONES
ELÉCTRICAS
49
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
4 TIPOS DE PROTECCIONES NECESARIAS
EN INSTALASIOENS ELÉCTRICAS
Son muchas las protecciones que hacen a una instalación eléctrica
completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que deben usarse
en todo tipo de instalaciones: de alumbrado, domésticas, de fuerza, redes de
distribución, circuitos auxiliares, etc., ya sea de baja o de alta tensión. Estas tres
protecciones eléctricas se describen a continuación, son:
•
Protección contra sobrecorrientes
•
Protección contra sobretensiones.
•
Protección contra electrocución.
Mientras que las dos primeras se encargan de proteger la instalación y los
equipos que la componen, la última se encarga, fundamentalmente, de la
protección de las personas que interactúan con el sistema. El riesgo de que se
produzca una electrocución deriva básicamente de una sobrecorriente (un
cortocircuito es lo que puede resultar más peligroso).
4.1 Protección contra sobrecorrientes
Por sobrecorriente se entiende toda corriente cuyo valor es más alto que el
valor nominal para el que esta diseñado el circuito. Ahora bien, este valor más alto
da origen a dos conceptos de corriente que pueden provocar una sobreintensidad:
− Corrientes de sobrecarga.
50
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
− Corrientes de cortocircuito.
Este tipo de contingencias pueden surgir como consecuencia de un
contacto directo o indirecto, fallos en los aislamientos, en los equipos, etc. Las
protecciones de sobreintensidad son las más utilizadas. Su funcionamiento se basa
en controlar la intensidad del circuito protegido. Cuando dicha intensidad
sobrepasa un valor prefijado, el dispositivo de protección realiza una acción
(apertura del circuito, señal de alarma,…).
Según las reglamentaciones de seguridad para instalaciones eléctricas, las
protecciones contra cortocircuitos y sobrecargas para baja tensión han de situarse:
• Lo más cerca posible de los puntos de entrada a edificios y locales.
• De forma individual, tanto a la entrada como a la salida, de los
transformadores, de baja tensión.
• Al comienzo de la línea que alimenta un transformador individual.
4.1.1 Protección contra sobrecargas
Por sobrecarga se extiende el exceso de intensidad en un circuito, debido a
un defecto de aislamiento de gran impedancia o a una demanda excesiva de carga,
si permanecen durante un periodo prolongado de tiempo.
Las sobrecargas deben protegerse, ya que pueden dar lugar, si se
mantienen en el tiempo, a la destrucción total de los aislamientos por
calentamiento. Una sobrecarga no protegida degenera siempre en un cortocircuito.
51
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
El efecto principal que origina una sobrecarga es el calentamiento de los
conductores a temperaturas no admisibles, provocando el deterioro de los mismos.
Por tanto, cuánto más alta es la corriente de sobrecarga, con mayor rapidez se
alcanzará la temperatura límite y más corto será el tiempo de sobrecarga
admisible.
De esto se deduce que el objetivo final de protección contra sobrecargas es
permitir aquellas que correspondan a un servicio normal, pero desconectándolas
con antelación para que no se sobrepase la temperatura máxima admisible.
El límite de intensidad de corriente admisible ha de quedar garantizado por
un dispositivo de protección utilizado.
•
De acuerdo con el Reglamento de Baja tensión, ITC-BT-22, el
dispositivo de protección contra sobrecargas podrá ser o un interruptor
automático de corte omnipolar con curva térmica de corte, o un
cortacircuito fusible.
Los dispositivos más empleados para la protección contra sobrecargas de
circuitos de distribución son:
• Fusibles calibrados, tipo gL, gT o gF
• Interruptores automáticos magnetotérmicos
• Relés térmicos
Para los circuitos domésticos, de alumbrado y para pequeños motores, se
suelen emplear los dos primeros, a la vez que se emplean para proteger contra los
52
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
cortocircuitos, siempre y cuando se utilice el tipo y la calibración apropiada al
circuito que se protege. Por el contrario, para los motores trifásicos se suelen
emplear los llamados relés térmicos.
4.1.2
Protección contra cortocircuitos
Se denomina cortocircuito a la unión de dos o más conductores o partes de
un circuito eléctrico, con una diferencia de potencial o tensión entre sí, sin
ninguna impedancia eléctrica entre ellos.
El origen de un cortocircuito suele estar en una conexión incorrecta o en
un defecto de aislamiento. Durante el tiempo que dura el cortocircuito, la
instalación eléctrica sufre los efectos de las corrientes de corto, importantes
esfuerzos térmicos y dinámicos. De esto se deduce, que la protección contra
cortocircuitos consiste en limitar los esfuerzos de origen térmico y dinámico al
mínimo, siendo necesario despejar la falta en milisegundos.
Este efecto, según la Ley de Ohm, al ser la impedancia cero, hace que la
intensidad tienda a infinito, con lo cual peligra la integridad de los conductores y
máquinas, debido a los efectos electrodinámicos y/o al calor generado por dicha
intensidad, por efecto Joule.
En la práctica, la intensidad producida por un cortocircuito, siempre queda
amortiguada por la impedancia de los propios conductores que, aunque muy
pequeña, nunca es cero.
Según las reglamentaciones electrotécnicas, “en el origen de todo circuito
deberá colocarse un dispositivo de protección, de acuerdo con la intensidad de
53
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
cortocircuito que pueda presentarse en la instalación.” No obstante, cuando
existan circuitos derivados de uno principal, se admite que cada circuito derivado
disponga de protección contra sobrecargas, mientras que un solo dispositivo
general puede asegurar la protección contra cortocircuitos para todos los circuitos
derivados.
Los dispositivos más empleados para la protección de cortocircuitos son:
• Fusibles calibrados
• Interruptores automáticos magnetotérmicos
4.1.2.1 Dimensionamiento de la protección de conductores
contra sobrecargas y cortocircuitos
Para el cálculo de la protección de conductores, tanto en sobrecargas como
en cortocircuitos, se tendrá en cuenta la norma IEC 60634-4-43, de la siguiente
forma:
En sobrecargas
•
La intensidad nominal del interruptor automático In estará comprendida
entre la intensidad de cortocircuito Isc y la intensidad de carga admisible Ica,
de tal forma que se cumpla:
Isc ≤ In ≤ Ica
•
La condición de desconexión se deberá cumplir cuando la intensidad
convencional de desconexión o intensidad más retardada Icd sea menor o igual
a 1,45 veces de la intensidad de carga admisible Ica , como se puede ver a
continuación:
Icd ≤ 1,45 · Ica
54
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
En cortocircuito
•
Se cumple la condición de que la energía de paso de antes del despeje de
la falta (Icc2 ·tdesp) debe ser menor que la intensidad de corto soportada por el
conductor (Icu), que se calcula de la forma siguiente:
I Cu = K12 * S 2
Donde:
•
K1 , es el valor de corrección del material
•
S , es la sección del conductor en mm 2
A la hora de elegir una protección ha de tenerse presente:
•
Que sea adecuada para sus características, en función de las
circunstancias concurrentes en cada caso. Para ello es aconsejable hacer uso de
las curvas de funcionamiento, que relacionan la intensidad que circula con el
tiempo de fusión o desconexión.
•
Que el poder de corte de la protección (expresado normalmente en KA)
sea adecuado a la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en el punto
donde se sitúa la protección.
4.2 Protección contra sobretensiones
55
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Una sobretensión atmosférica es un aumento del valor de la tensión a
valores muy elevados durante un transitorio de pocos milisegundos, causada por
la caída o inducción en la línea de un rayo.
Las sobretensiones producidas por fenómenos atmosféricos llegan a las
instalaciones de tres formas:
- Sobretensiones conducidas: cuando el rayo cae directamente sobre la
línea aérea, propagándose la sobretensión a lo largo de varios kilómetros. Este es
el caso de sobretensiones de mayor valor.
- Sobretensiones inducidas: la radiación emitida por el impacto de un rayo
sobre un objeto (árbol, poste,..) próximo a las líneas eléctricas, induce tensiones
transitorias en ellas.
- Aumento del potencial de tierra: un rayo cae a tierra o a una estructura
conectada a ella, por lo que la corriente de descarga circula por el terreno,
pudiendo llegar a elevar el potencial del terreno varios miles de voltios.
La protección contra estos fenómenos se realiza con unos aparatos
llamados “descargadores de sobreintensidad”, también denominados
autoválvulas,
varistores
o
pararrayos,
como
ya
se
ha
explicado
anteriormente.
56
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
4.3
Protección contra el choque eléctrico
Las medidas de protección contra el choque eléctrico intentan prevenir que
una persona quede sometida a una tensión peligrosa durante un tiempo suficiente
para producir daños irreversibles en su organismo. Las medidas de protección se
diseñan para evitar el riesgo ocasionado por dos tipos de contactos denominados
directo e indirecto.
El primero se define como el contacto con las partes activas del sistema
(las que “tienen” tensión), por ejemplo, cuando una persona toca los dos
conductores de un enchufe (Figura 4.1.a) o el conductor de fase en un sistema en
el que el neutro se ha puesto a tierra (Figura 4.1.b). En inversores monofásicos no
es estrictamente correcto hablar de fase y neutro porque, en principio, ambos
conductores son idénticos e intercambiables. Sin embargo, se denominará así en
adelante eligiendo cualquiera como neutro.
El contacto indirecto ocurre cuando se tocan las partes metálicas accesibles
del sistema, por ejemplo, la carcasa metálica de una lavadora, que normalmente
no tienen tensión, pero en las que ésta puede aparecer debido a un fallo de
aislamiento (Figura 4.1.c).
Todos los esquemas de protección están basados en la siguiente regla
general: las partes activas peligrosas no deben poder tocarse y las carcasas
metálicas de los equipos no deben resultar peligrosas, ni en condiciones
normales de funcionamiento ni cuando haya fallos de aislamiento (Muñoz, J;
04).
57
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Fig. 4.1.a)
Fig. 4.1.b)
Fig. 4.1. c)
Fig. 4-1 Contactos directos e indirectos
En las instalaciones eléctricas, los contactos directos e indirectos están
siempre asociados a una corriente de defecto que no regresa a la fuente de
alimentación por los conductores activos debido a que ha habido alguna corriente
de fuga a tierra. Dichos contactos representan un peligro tanto para las personas
como para los equipos ya que puede existir riesgo de deterioro en los mismos o de
destrucción de los receptores de la instalación.
El
daño
orgánico
que
provoca
un
choque
eléctrico
depende,
principalmente, de la magnitud de la corriente que pasa a través del cuerpo
humano y del tiempo que permanece aplicada. Los efectos que produce la
corriente en el cuerpo humano, se pueden agrupar en cuatro grandes grupos según
indica la tabla siguiente:
58
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Fig. 4-2 Efectos fisiológicos de la corriente eléctrica
Cada uno de estos tipos de efectos está asociado a una zona de las curvas
siguientes, en las que se representa la corriente en función del tiempo de
exposición a la misma:
Fig.4. 2.a) Tiempo/Corriente
Fig.4.2.b) Tiempo/Corriente
(alterna de 15 a 100Hz)
(continua)
Fig. 4-3 Tablas Tiempo/Corriente
59
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Si se analizan dichas tablas se puede comprobar que para un mismo valor
de corriente, la corriente alterna es más peligrosa que la corriente continua.
Las protecciones contra el choque eléctrico utilizan como parámetro la
tensión de contacto, producto de la corriente a través del cuerpo por la impedancia
del mismo, en función del tiempo. La impedancia del cuerpo humano depende de
varios factores como la tensión de contacto, la humedad de la piel, el camino que
sigue la corriente a través del cuerpo, el área de contacto, etc. por lo que es
imposible conocer un valor exacto de dicha impedancia. A la hora de elegir las
protecciones contra el contacto indirecto, se toma como valor de impedancia total
del cuerpo humano, un valor estadístico que supera el 95% de la población, y que
asume que el camino recorrido por la intensidad atraviesa las dos manos y los dos
pies. En condiciones de ausencia de humedad, se puede calcular con la fórmula
siguiente:
Donde ZT es la impedancia total del cuerpo humano, ZT ,95% es la
impedancia que supera el 95% de la población para recorridos de la corriente de la
mano al pie (el ½, se debe a recorridos entre las dos manos o los dos pies), y se
considera que la resistencia de contacto es de 1000Ω.
4.3.1 Protección contra el contacto directo
Las medidas de protección contra el contacto directo deben evitar que
las partes activas del sistema sean accesibles para los usuarios. En general, la
protección contra el contacto directo es requerida cuando la tensión exceda
de 25V en corriente alterna y 60V corriente continua.
60
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
En la parte alterna de la instalación, se usarán diferenciales de alta
sensibilidad (30mA), como medida de protección adicional por si fallan otras
medidas de protección o si los usuarios comenten alguna imprudencia.
4.3.2 Protección contra el contacto indirecto
Como consecuencia de un fallo en el aislamiento, las partes metálicas de la
instalación que habitualmente no tienen tensión, pueden convertirse en partes
peligrosas.
Para identificarlas, se debe tener en cuenta cuáles son los niveles de
protección contra el choque eléctrico de estos equipos. Existen varios de ellos,
aunque los más habituales son los denominados Clase I y Clase II. Los equipos de
Clase I, tiene partes metálicas accesibles en las que puede aparecer una tensión
peligrosa debido a un fallo en el aislamiento. Los equipos de Clase II, disponen de
un aislamiento doble o reforzado que evita la aparición de una tensión peligrosa
en la cubierta exterior. Este tipo de aislamiento se considera una protección
suficiente contra el contacto indirecto.
Fig. 4-4 Tipo de protección de los equipos
61
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
4.3.2.1 Circuitos en alterna
La protección contra el contacto indirecto se basa en el uso de dos tipos de
sistemas: puestos a tierra o flotantes, aislados de tierra. Ambas configuraciones
son igualmente seguras para los usuarios y permiten utilizar equipos Clase I y
Clase II.
La protección contra el contacto indirecto consiste en conectar a tierra
las carcasas metálicas de los equipos Clase I, y normalmente el conductor de
neutro. Si ocurre un fallo de aislamiento entre el conductor de fase y una carcasa
metálica, y la tensión de contacto prevista supera los 50V, marcados como tensión
límite, un sistema de protección debe desconectar automáticamente la
alimentación para evitar que esta tensión pueda causar daño en alguna persona si
permanece expuesta al mismo durante un tiempo determinado.
A continuación se muestran unas gráficas del tiempo de desconexión
requerido en función del valor de la tensión. Estos valores de tiempos se han
escogidos, de manera que en ningún momento se esté en la zona peligrosa
marcada con el número 4. Se puede apreciar como si el valor de la tensión es igual
a 50V, la desconexión de la alimentación, no es necesaria desde el punto de vista
de le protección contra el contacto indirecto, pero puede darse el caso de que si
que sea necesaria por otros motivos como para deducir las pérdidas de energía
derivadas de las pérdidas de corriente o evitar el riesgo de calentamiento. En la
práctica se escoge un tiempo de desconexión, por convenio, de 5 segundos,
para el diseño de las medidas de protección.
62
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Fig. 4-5 Tiempos de desconexión requeridos según el valor de la tensión de contacto
prevista y curva tiempo/corriente (mA) equivalente (en gris)
Existen diversas configuraciones de puesta a tierra, según la IEC-60364,
los cuales se identifican por medio de dos letras. La primera de ellas, indica la
puesta a tierra del neutro:
•
T, si está conectado a tierra
•
I, si no lo está o si lo está es a través de una impedancia de valor
elevado.
La segunda letra indica la puesta a tierra de las carcasas metálicas de los
equipos de Clase I:
•
T, si están puestos a tierra
•
N, si están conectados al neutro
El conductor que conecta la carcasa metálica se denomina conductor de
protección.
63
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Sistemas TT
Este es el tipo de esquema más utilizado en la actualidad, en el caso de
España, se emplea en el 95% de las instalaciones domésticas. El neutro y las
carcasas metálicas están conectados a tierra pero cada uno de ellos tiene su propia
toma.
Fig. 4-6 Esquema de puesta a tierra TT
La compañía eléctrica se encarga de conectar el neutro y las casas deben
de tener una toma de tierra donde se conectan las carcasas metálicas. En esta caso
un fallo de aislamiento fase-tierra, provoca una corriente de fuga a tierra, I d , que
únicamente está limitada por las resistencias de toma de tierra RA y RB , y la
resistencia de fallo del aislamiento Rd .
64
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Donde U L , en la tensión máxima admisible por el cuerpo humano en un
entorno determinado (12V, para locales mojados, 25V para locales húmedos, y
50V para locales secos). La tensión de contacto U C , se define como el potencial
que puede alcanzar una masa metálica de un receptor, debido a un fallo de
aislamiento en el mismo, respecto a otro punto simultáneamente accesible por otra
persona, generalmente la tierra.
La protección adecuada en estos casos es el interruptor diferencial, ya que
la corriente en estos casos suele ser pequeña, debido a que las resistencias de
puesta a tierra no son despreciables.
Como conclusión se puede decir que debido a que esta configuración
requiere el uso de dos tomas de tierra no es recomendable para los sistemas
fotovoltaicos.
Sistemas IT
En este tipo de configuración se aprecia que el neutro está aislado y no
conectado a tierra mientras que las carcasas metálicas de los equipos se conectan a
tierra.
65
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Fig. 4-7 Esquema de puesta a tierra IT
En este tipo de esquemas el primer fallo de aislamiento entre la fase, o el
neutro, y una carcasa metálica no es peligroso y no hace falta desconectar la
alimentación. Ésta es la principal característica de esta configuración y su mayor
ventaja siempre y cuando este primer fallo sea detectado y eliminado, lo que
permitirá que la instalación siga funcionando. Dicha detección del fallo, requiere
un detector de aislamiento y la eliminación del mismo, es decir, requiere la
presencia de un técnico de mantenimiento,.
Sistemas TN
En este esquema el neutro está conectado a tierra y las masas metálicas de
los receptores están conectadas al neutro. Existen tres variantes de régimen de
neutro que se diferencian por una tercera letra:
•
Esquema TN-C: El conductor de neutro y el de protección son el mismo
conductor.
66
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
•
Esquema TN-S: El conductor de neutro y el conductor de protección
están separados.
•
Esquema TN-C-S: Es el esquema mixto. El TN-C, debe situarse siempre
aguas arriba del esquema TN-S.
Fig. 4-8 Esquema de puesta a tierra TN-S
De los esquemas descritos anteriormente el más adecuado es el esquema
TN-S, para los sistemas fotovoltaicos aislados.
Si se trata de un sistema flotante, que no está aislado de tierra, la
protección clásica contra el contacto indirecto para este tipo de sistemas se basa en
el uso de equipos Clase II.
67
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
4.3.3 Circuitos en continua
Para el contacto indirecto en el lado de continua, la tensión límite es de
120V. Por tanto si esta tensión es superada en algún punto, habrá que poner
protecciones, las cuales son las mismas que para el contacto directo.
68
5
APLICACIÓN DE LA
NECESIDAD DE
PROTECCIONES
ELÉCTRICAS A
SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS
AISLADOS
69
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
5 APLICACIÓN DE LA NECESIDAD DE
PROTECCIONES ELÉCTRICAS A
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS
5.1 Protección contra sobrecorrientes
Como ya se ha indicado anteriormente, para proteger contra este tipo de
contingencias, se emplearán fusibles y magnetotérmicos tanto para las sobrecargas
como para los cortocircuitos. Pudiendo utilizarse un solo dispositivo para evitar
ambos efectos y no poner protecciones redundantes.
5.2 Protección contra sobretensiones
Las instalaciones solares, por su configuración, deben ser colocadas en los
tejados o fachadas de los edificios, donde están a la intemperie y donde tienen
más probabilidad de recibir el impacto de un rayo. Las protecciones contra
sobretensiones tipo rayo, deben ponerse en función del riesgo de tormentas de la
zona, ya que pueden dañar partes de la instalación. Estos daños no son sólo
provocados por la caída directa de un rayo sobre el sistema sino también por los
efectos que pueden provocar rayos que caen en las proximidades.
Actualmente no existe una regla general que ayude a decidir si son las
edificaciones o son los equipos los que se deben proteger contra las
sobretensiones. Debido al gran número de posibilidades que existen y a las
numerosas formas de propagación de las sobretensiones, a la hora de realizar las
protecciones se debe recurrir a los métodos más usados estadísticamente.
70
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Por lo que, hoy en día, sólo ciertos documentos, desarrollados a nivel
universal y basados en la experiencia y en las diversas publicaciones que se han
hechos sobre estos temas, se pueden tomar como referencia a la hora de realizar
las protecciones. La Comisión Europea, que realiza diversos estudios en el tema,
ha publicado un trabajo para la estandarización de sistemas de protección frente a
rayos en sistemas fotovoltaicos, llamado “Lightning and overvoltage protection in
Phovoltaic and Solar Thermal Systems”. Este documento será el punto de
referencia para lograr los objetivos de estandarización del presente proyecto.
5.2.1 Características de las protecciones contra rayos
Un sistema de protección contra rayos que se coloca en el exterior de las
edificaciones tiene la misión de proteger contra posibles incendios o daños
mecánicos que pueden producir el impacto de un rayo. Los componentes
principales de una protección de este tipo son:
•
Un conductor desnudo de intemperie
•
Un conductor de interconexión
•
Un sistema de puesta a tierra
Con el conductor de intemperie se controlan las posibles caídas de rayos
siendo él mismo el que las recibe. Con los conductores de interconexionado se
hace descender la corriente procedente del rayo al sistema de puesta a tierra,
donde es derivada al terreno. Los conductores de intemperie son simples cables o
a veces mallas hechas de cables rígidos y tirantes que se colocan directamente
sobre las partes principales de la estructura del edificio. Con este tipo de
protecciones se consigue que en una zona no se produzca ninguna descarga de
71
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
ningún rayo con cierta probabilidad. La eficiencia de este tipo de dispositivos está
relacionada con el número de rayos que pueden ser desviados y está estandarizado
por la ENV 1 61024-1:1995, el cual establece cuatro niveles de seguridad en
función de la eficiencia de los equipos:
Ç
Niveles de seguridad
Eficiencia
I (extrema)
0.98
II (alta)
0.95
III (normal)
0.9
IV
0.8
Fig. 5-1 Niveles de seguridad y eficiencia de los dispositivos de protección frente a
sobretensiones
La toma de puesta a tierra, cuya misión es derivar la corriente a tierra y
distribuirla de manera uniforme, se puede diseñar de diversas formas, como
simples electrodos, o con electrodos en anillo o formando un conjunto.
Solar Home Systems (SHS)
Los “Solar Home Systems” SHS, son sistemas pequeños tanto en
capacidad como en dimensión, que no están conectados a ningún sistema de
generación de energía mediante una red eléctrica. Por tanto el riesgo de daños que
pueden producir las sobretensiones en este tipo de instalaciones es muy pequeño y
puede ser prácticamente despreciable.
1
European Draft Standard
72
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Sin embargo, pueden producirse pequeños daños en los materiales, por lo
que conviene hacer un pequeño estudio sobre la verdadera necesidad de
protecciones contra sobretensiones, en este tipo de sistemas.
Fig. 5-2 Esquema de un SHS
Sistemas fotovoltaicos con una capacidad superior a los 500 Wp
Cuando se trata de sistemas fotovoltaicos de grandes dimensiones y cuyos
componentes son sensibles a las sobretensiones, hay que tener en cuenta el riesgo
a que se produzcan daños derivados de este tipo de fenómenos, aunque la
experiencia en este campo, muestra que no es una cuestión a la que se deba dar
demasiada importancia.
Para evaluar los efectos de los acoplamientos capacitivos e inductivos en
los sistemas fotovoltaicos, se debe tener en cuenta que los niveles de tensiones de
73
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
acoplamiento del generador fotovoltaico están calculados de acuerdo al
dimensionado del sistema fotovoltaico.
Factores como las numerosas configuraciones técnicas posibles, las
diferentes disposiciones que pueden adoptar cada uno de los componentes del
sistema, la heterogeneidad de la actividad de las tormentas, así como las
simplificaciones que se deben hacer de las mismas a la hora de estudiar sus
efectos para facilitar una formulación de los mismos, tienen una importante
influencia en los resultados. Estos problemas se han tenido en cuenta, examinando
de una manera apropiada, cada una de las circunstancias más desfavorables. Los
resultados obtenidos de este estudio son:
•
Daños provocados por una tensión que puede atravesar la instalación
pueden evitarse fácilmente colocando un dispositivo de despeje seguro, de unas
0.2 metros como mínimo, entre los módulos y los componentes que conducen
la corriente del rayo.
•
Se puede evitar que las tensiones inducidas alcancen valores
importantes, cuando las descargas de los rayos se produzcan, al menos, a 1000
metros de distancia del sistema en cuestión.
•
Las resistencias de aislamiento de los equipos del circuito de corriente
continua, no correrán peligro ante posibles acoplamientos inductivos, si la
descarga del rayo se produce a más de 400 metros de distancia del equipo en
cuestión.
•
Los sistemas fotovoltaicos no estarán en peligro ante posibles
acoplamientos capacitivos si se encuentran a una distancia de más de 1000
metros de donde se produzca la descarga del rayo.
En general el radio de la zona de riesgo entorno al lugar donde se produce
la descarga del rayo es de al menos 1km de longitud, aunque algunas descargas
pueden producir daños en radios de varios kilómetros, pero éstas son una minoría.
74
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Esta afirmación corresponde a lo mencionado anteriormente sobre los
acoplamientos de sobretensiones inductivos o capacitivos .Para realizar una
generalización, sobre la necesidad de protección contra sobretensiones, la
distribución estadística de descargas de rayos debe ser tenida en cuenta.
Aproximadamente, ente 1.7 y 4 rayos descendentes por kilómetro
cuadrado caen en una región a lo largo de una año. Si se define la zona de peligro,
entorno a una instalación fotovoltaica, aquella que comprende un radio de 1 Km,
entonces en el caso más desfavorable, entre 5 y 12 descargas pueden tener lugar
en esta zona considerada a lo largo de un año. Con el 25 % de estas descargas, el
rango
de
corriente
se
incrementa
en
di / dt = 50kA / μ s .
Por
tanto,
estadísticamente, cada sistema está en peligro de que le caiga un rayo al año de
media y en el caso de tratarse de una instalación fotovoltaica que se encuentra en
una zona de más actividad de tormentas, esta cifra asciende a 3 rayos en un año.
Si se supone que la vida de una instalación fotovoltaica en servicio es de
unos 20 años, aproximadamente, entonces se puede considerar, según lo expuesto
anteriormente, que varias descargas peligrosas pueden producirse a lo largo de
toda su vida útil. Como el precio de los sistemas de protección contra rayos no es
muy elevado en comparación al coste total de la instalación, al menos el circuito
de generación eléctrico debería ser protegido, pero sólo debería ya que en la
práctica el riesgo de que una instalación reciba una descarga es mucho menor.
Además, en general, el precio de los componentes que pueden destruirse en el
caso de que se produzca una sobretensión, hace que no compense invertir en
sistemas de protección para esta tipo de efectos.
Por tanto se pondrán protecciones en aquellos casos en los que exista un
riesgo evidente de que se produzcan sobretensiones inductivas o capacitivas.
75
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
La sobretensión que se establece entre el conductor activo y el aislamiento
del cable debido a la corriente que acarrea la misma, depende del material y de las
dimensiones del aislante así como de la longitud y disposición de dicho cable. La
mínima sección del aislante para la cual el cable esta autoprotegido se calcula a
través de la siguiente ecuación:
Amin = I f *rc *
lc
Uc
Donde:
•
I
•
rc , es la resistividad de la pantalla en Ωm.
•
lc , es la distancia entre la estructura y el punto más cercano de la tierra a
f
, es la corriente que atraviesa el aislamiento en kA.
la pantalla en m.
•
U c , es el valor del impulso de la tensión en el cable en kV.
Cuando se produce una descarga en un sistema la corriente recorre el
camino de menor resistencia, si los componentes que reciben la descarga no han
sido puestos a tierra, la corriente circulará por cualquier parte. Simplemente
conectándolos a tierra estarán protegidos de posibles rayos y se reducirán los
riesgos de posibles incendios, o daños en los componentes eléctricos y
electrónicos. Esta toma de tierra se realizará fuera del edificio para evitar los
efectos que pueden derivar si se forma arco durante la descarga, al resto de la
instalación y reducir los acoplamientos magnéticos. Un electrodo de puesta a
tierra es normal usarlo como protección.
Por tanto, se hará la siguiente generalización:
76
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
•
En el caso de sistemas de pequeña potencia, como los SHS pequeños, no
se pondrán protecciones especiales contra las sobretensiones tipo rayo, ya que
además, mucho de los reguladores vienen ya con varistores incluidos que
protegen su electrónica de efectos de este tipo.
•
En el caso de sistemas de mayor potencia o de centrales híbridas se
estudiará la necesidad de las mismas en función de la distribución de tormentas
de la zona y se verá la relación coste/necesidad para su implementación.
Si se decide finalmente ponerlas, estas protecciones se realizarán
mediante:
•
Electrodos de puesta a tierra
•
Varistores
•
Y pararayos en algunos casos
5.3 Protecciones contra choque eléctrico (electrocución)
Para evitar posibles electrocuciones de las personas de deben evitar los
contactos directos e indirectos.
En las instalaciones fotovoltaicas se considerará que las tensiones en
circuito abierto son menores a 120V, en condiciones normales, ya que al tratar los
contactos indirectos, la IEC-61140, define la tensión límite convencional de
contacto, como aquella que puede ser mantenida indefinidamente, en caso de un
fallo de aislamiento, sin causar peligro. Por tanto, en condiciones secas las
tensiones límites convencionales de contacto son 120V para corriente
continua y 50V para corriente alterna (que divididas por la impedancia
estadística del cuerpo humano, se obtienen unos valores de corriente de 72 mA
para continua y 29 mA para alterna). En lugares especiales o en circunstancias
77
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
de humedad estos valores se reducen a la mitad, 60V en continua y 25V en
alterna.
Una tensión cuyo valor no supere los 120V en continua ó los 50V en
alterna se denomina como muy baja tensión y se considera suficiente para el
contacto indirecto, siempre que se cumpla un único requisito, que el circuito de
muy baja tensión (la parte de continua), esté separado de otros circuitos de tensión
peligrosa (parte alterna de la instalación donde se superen los 50V) con un
aislamiento equivalente al proporcionado por un transformador de aislamiento. En
el caso de contacto directo, la protección es necesaria mientras la tensión
supere los 60V de continua o 25V de alterna.
Otro requisito a tener en cuenta a la hora de diseñar las protecciones es que
en el caso de que existan líneas de distribución en alterna, éstas no pueden tener
una longitud superior a los 400 metros, lo cual asegura que las corrientes de fuga
de la red entre los cables y la tierra son despreciables. La longitud máxima se
elige en función de la condición propuesta por la IEC-60364,
Donde L, es la longitud de la red, pudiendo valer como máximo 500m, y
VOUT es el valor eficaz de la tensión nominal a la salida del inversor.
5.3.1 Protección contra el contacto directo
En general, la protección contra el contacto directo es requerida
cuando la tensión exceda 25V en corriente alterna ó 60 V en continua. En el
caso de los sistemas fotovoltaicos, esto implica que la protección contra el
78
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
contacto directo es imprescindible en la parte alterna del sistema ya que la tensión
de salida del inversor supera ampliamente los 25 V. En la parte continua, la
protección sólo es necesaria si la tensión en circuito abierto del generador
fotovoltaico supera los 60 V. En la práctica, los sistemas fotovoltaicos de 12 ó 24
V de tensión nominal no necesitarán esta protección. Respecto a las protecciones
que pueden aplicarse, la IEC-60364 establece cuatro posibilidades:
1. Aislar las partes activas.
2. Usar barreras o envolventes.
3. Usar obstáculos.
4. Poner las partes activas fuera del alcance por alejamiento.
Las dos últimas opciones aseguran una protección parcial ya que sólo
evitan contactos fortuitos o no intencionados y, en principio, sólo deberían
aplicarse en lugares a los que sólo accedan personas cualificadas. En general, su
uso no es recomendable en sistemas fotovoltaicos individuales destinados a la
electrificación de viviendas o centros comunitarios cuyos usuarios no conocen la
peligrosidad de tocar una parte metálica que está a la vista. Por el contrario, el
aislamiento de las partes activas y el uso de barreras o envolventes proporcionan
una protección más segura, ya que para acceder a las partes metálicas internas hay
que destruir la cubierta protectora. La IEC-60364 requiere que las barreras o
envolventes tengan, al menos, un grado de protección IP 2x o IP xxB (protegidos
contra la introducción de los dedos) y, si están en un lugar fácilmente accesible, IP
4x o IP xxD (protegidos contra la introducción de objetos de diámetro superior a 1
mm).
En la parte alterna de la instalación, el uso de interruptores diferenciales de
alta sensibilidad (≤ 30 mA) se considera como una protección adicional contra el
contacto directo en el caso de que otras medidas de protección fallen, o que los
79
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
usuarios cometan una imprudencia. En cualquier caso, aunque se utilicen estos
diferenciales, hay que aplicar obligatoriamente una de las medidas de protección
anteriores.
A continuación se muestran dos ejemplos de funcionamiento de un
diferencial como el citado anteriormente. En el primer caso, se representa una
persona que toca la fase en un sistema en el que el neutro está puesto a tierra.
Como puede apreciarse, la corriente de fugas va por el conductor de fase pero no
vuelve por el conductor de neutro, sino que lo hace a través de tierra. Esta
diferencia de corriente entre ambos conductores es detectada por el diferencial que
abre el circuito si la corriente excede los 30 mA que tiene asignados. En el
segundo caso, se representa una situación similar cuando el sistema es flotante. En
este caso, el diferencial no se activará ni la persona sufrirá daños, ya que, debido
la limitación máxima de las líneas de distribución a 400 m, la impedancia parásita
de la red entre los cables y tierra es elevada y la corriente de fugas que retorna a
través de tierra debe ser pequeña y no peligrosa. En el caso de un contacto con los
dos conductores activos, el diferencial no sirve como protección, ya que la
corriente va por la fase y vuelve por el neutro y no existe diferencia de corriente
entre ambos conductores.
Fig. 5-3 Sistema de puesta a tierra y sistema flotante
80
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Por tanto, para los sistemas definidos anteriormente sólo es recomendable
instalar un diferencial de 30 mA para proteger contra el contacto directo cuando el
neutro esté puesto a tierra. Los interruptores diferenciales también son útiles para
la protección contra el contacto indirecto. Si se prevé instalar un diferencial por
este último motivo, elegir uno de alta sensibilidad no supone, en principio, un
incremento de coste y tiene el valor añadido de proporcionar protección adicional
contra el contacto directo.
5.3.2 Protección contra el contacto indirecto
Para proteger frente a este tipo de contactos la IEC-60364, señala la
necesidad de aislar los circuitos de alterna y continua, mediante barreras aislantes
y equipos Clase II.
Habitualmente los inversores que se utilizan en las instalaciones
fotovoltaicas, son de Clase II y se suele asegurar la separación entre los circuitos
de muy baja tensión de los circuitos que puedan presentar tensiones peligrosas,
mediante transformadores de aislamiento galvánico y barreras protectoras.
Circuitos de corriente alterna
Los sistemas puestos a tierra, combinados con la protección
denominada “desconexión automática de la alimentación” es la solución más
común y extendida en todo el mundo para proteger a las personas contra el
contacto indirecto (Muñoz, J; 04). Garantizan la seguridad del usuario, pero
además, estos sistemas tienen ventajas añadidas, como la mejora de la protección
81
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
contra sobretensiones o la reducción de las interferencias electromagnéticas
provocadas por algunos equipos.
Cuando el tamaño y el coste del sistema aumentan, la necesidad de
protección contra sobretensiones es cada vez más necesaria y el coste relativo de
la puesta a tierra (electrodos, picas, cables, etc.) es cada vez menos importante. En
general, la puesta a tierra es recomendable para sistemas fotovoltaicos de mediano
y gran tamaño en los que el suministro se realiza en corriente alterna para todo
tipo de cargas. Los sistemas flotantes tienen la ventaja de la continuidad del
servicio, ya que un primer fallo de aislamiento provoca pequeñas corrientes de
fugas y el sistema puede continuar en operación, y no necesitan una puesta a
tierra, lo que reduce el coste. Un sistema flotante puede ser adecuado en pequeños
sistemas fotovoltaicos en los que la mayoría de las cargas son de corriente
continua y la corriente alterna se usa de manera esporádica.
Para las instalaciones fotovoltaicas, los sistemas de puesta a tierra más
utilizados son:
•
Los sistemas IT ,se trata de un sistema apto para aquellas instalaciones
en las que la continuidad del servicio es fundamental y se puede tener un
técnico de mantenimiento, como son las centrales fotovoltaicas. Si ocurriese un
segundo fallo, habría que desconectar la alimentación, con lo que se perderían
las ventajas de este esquema
•
Los sistemas TN-S, que es la configuración más adecuada para los
sistemas fotovoltaicos aislados.
La protección contra el contacto indirecto en la configuración TN-S
funciona de la manera siguiente. Si ocurre un fallo de aislamiento entre la fase y la
carcasa metálica de una carga Clase I, como muestra la siguiente figura, se
produce un cortocircuito entre fase y neutro a través del conductor de protección
que debe activar un dispositivo de protección contra sobrecorrientes (fusible,
82
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
magnetotérmico o similar) o la protección del propio inversor contra cortocircuito,
que suele ser la primera en activarse, lo que provocaría la interrupción del
suministro eléctrico a las cargas.
Fig. 5-4 Fallo de aislamiento entre fase y una carcasa metálica
Un interruptor diferencial situado después del punto de conexión del
neutro a tierra también puede asegurar la desconexión, ya que la corriente de
fugas retorna a través del conductor de protección. Si durante el fallo de
aislamiento una persona toca la carcasa defectuosa, quedará sometida a una
tensión de contacto, en voltios, aproximadamente igual al producto de la corriente
de fugas, en amperios, y la resistencia del conductor de protección entre los
puntos A y B, RAB , en ohmios. El cálculo exacto de esta tensión de contacto,
necesario para conocer el tiempo de exposición a dicho contacto, no es una tarea
fácil, ya que depende de las características particulares de cada sistema:
•
Tensión de salida del inversor
•
Impedancia interna del mismo
•
Sección y longitud del conductor de fase y de protección.
83
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Sin embargo, no será necesario realizar este cálculo si se dimensiona el
conductor de protección para que la caída de tensión entre cualquier carcasa
metálica (punto B) y la conexión del mismo con el neutro (punto A), sea menor de
50V. Esta condición se aplica a la corriente que activa el dispositivo de
desconexión, y que suele denominarse I a . Cuando la desconexión se produce por
la activación de la protección contra cortocircuito del inversor o de algún
interruptor automático, diferencial, magnetotérmico, etc. esta corriente de
desconexión es la que provoca su funcionamiento instantáneo, en este caso, los
tiempos de desconexión suelen ser menores que los habituales. Cuando el
dispositivo de protección es un fusible, la corriente de desconexión es aquella que
asegura su disparo en un tiempo inferior a los 5 segundos.
La condición anterior es equivalente a la medida de protección
denominada “enlace equipotencial suplementario” por la IEC 60364 y es muy útil
para los objetivos de estandarización, ya que es independiente de las
características particulares del sistema y permite establecer tiempos de
desconexión independientes de la tensión de contacto. Además, facilita
enormemente la protección contra el contacto indirecto y no impone requisitos
muy estrictos al conductor de protección, ya que permite utilizar secciones
bastante reducidas, pudiendo serlo más aún si se utilizan interruptores
diferenciales. En la práctica, la sección del conductor de protección no puede ser
tan pequeña como se quiera pues las normas de seguridad requieren una sección
mínima. En el caso de la IEC, se recomienda que esta sección sea, por lo menos,
igual a la sección de los conductores de fase y neutro, con un mínimo de 4 mm 2 .
La IEC-60364 sugiere, que en el caso excepcional de que se produzca un
fallo de aislamiento entre fase y tierra, que provoque la aparición de una tensión
de contacto peligrosa entre las carcasas metálicas y tierra, como muestra la
84
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
siguiente figura, existe el riesgo de que una persona toque la carcasa metálica
durante el fallo, recibiendo una descarga eléctrica.
Fig. 5-5 Fallo de aislamiento entre fase y tierra con esquema TN-S
Para asegurar que la tensión de contacto no es superior a 50V, la IEC
propone que se verifique la condición siguiente:
Donde
VC , es la tensión de contacto
I F , es la corriente de fugas,
RB , es la resistencia de puesta a tierra del neutro,
RE , es la resistencia de fallo del aislamiento entre fase y tierra
85
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
VOUT , es el valor eficaz de la tensión a la salida del inversor.
Sin embargo, realizar esta comprobación no siempre es fácil, ya que hay
que conocer la resistencia del fallo del aislamiento, que no es fácil de calcular.
Una alternativa es comprobar lo siguiente:
Sistemas flotantes
Si el inversor y las cargas tienen doble aislamiento, la protección contra el
contacto indirecto está asegurada y no son necesarios requisitos adicionales. En la
figura que sigue a continuación se representa un sistema de este tipo.
Fig. 5-6 Sistema Clase II
Si el inversor o las cargas son Clase I, existe la posibilidad adicional de
convertirlos en Clase II añadiéndoles un aislamiento suplementario durante la
instalación del sistema. Por ejemplo, en pequeños sistemas fotovoltaicos, es muy
común encontrar inversores Clase I alimentando cargas Clase II en los que la
86
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
protección podría asegurarse, por ejemplo, encerrando al inversor en una caja de
madera. El cumplimiento estricto de la IEC 60364 requeriría que el instalador
tuviese un equipo para hacer pruebas de aislamiento in situ de estas cajas, lo que
resulta muy complicado. En lugar de eso, el sentido común puede ser suficiente
para juzgar la calidad del aislamiento. Estas cajas deberían ser medianamente
robustas y tener una buena ventilación con conductos por los que no se puedan
meter los dedos (grado de protección mínimo IP 2x o IP xxB). Además, la caja
debería tener una cerradura y avisos de riesgo de choque eléctrico en el interior
(se supone que el operador es consciente de que las partes metálicas encerradas en
la caja pueden quedar bajo tensión si hay un fallo de aislamiento y no deben
tocarse mientras el inversor está funcionando).
Fig. 5-7 Caja de madera casera de 3cm de espesor utilizada para convertir un
inversor Clase I en uno Clase II
En un sistema flotante de este tipo, aislado de tierra, también es posible
utilizar cargas Clase I. Un sistema ideal aislado de tierra, asegura la protección
87
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
contra el contacto indirecto porque si una persona toca una carcasa metálica
defectuosa, la corriente no encuentra camino para retornar al circuito. Esto puede
apreciarse en la figura siguiente:
Fig. 5-8 Sistema ideal de tierra donde la corriente de fuga es nula
Pero un sistema ideal no existe, y la corriente de fugas siempre tiene un
camino de retorno al circuito por una impedancia parásita.
88
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Fig. 5-9 Sistema real aislado de tierra, cuya corriente de fugas es muy pequeña
debido a que la impedancia parásita es muy pequeña
La longitud de las líneas debe ser inferior a 400 metros para que las
corrientes de fugas no sean peligrosas para las personas. Además se debe prestar
atención para reducir la posibilidad de que ocurran fallos de aislamiento entre los
conductores activos, fase y neutro, y tierra, usando, por ejemplo, cables de doble
aislamiento o metiendo los cables con una sola cubierta dentro de tuberías o
canales aislantes, prestando especial atención a no poner ni la fase ni el neutro a
tierra de forma voluntaria. Se debe tener en cuenta que un fallo en la parte de
corriente continua de la instalación, puede poner el sistema a tierra, por ello es tan
importante que exista la separación galvánica entre los circuitos de alterna y de
continua y en su defecto, se utilizarán equipos Clase II en el lado de continua para
reducir la posibilidad de fallos a tierra.
Aun tomando todas las medidas anteriores existe la posibilidad de una
pequeña descarga eléctrica en el caso de que una persona toque simultáneamente,
dos carcasa metálicas distintas y se produzcan dos fallos de aislamiento entre
dichas carcasas de fase y neutro.
89
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Fig. 5-10 Sistema aislado de tierra. Riesgo de choque eléctrico al tocar dos carcasas
metálicas en las que se ha producido fallos de aislamiento simultáneamente
La protección contra esto se realiza uniendo todas las carcasas metálicas
de todos los equipos Clase I por medio de un conductor equipotencial que debe
ser dimensionado para que la caída de tensión entre las dos carcasas
simultáneamente accesibles sea inferior a 50V.
90
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Fig. 5-11 Sistema de protección mediante conductor equipotencial
En este caso, el propio inversor o los dispositivos de protección contra
sobrecorrientes son los que desconectan la alimentación. Un diferencial situado al
comienzo de la línea de distribución no es efectivo porque la corriente de fugas va
por la fase y retorna por el neutro.
Otra opción distinta del conductor equipotencial sería separar los equipos
Clase I una distancia suficiente, según la IEC 60364 un mínimo de 2,5 metros,
para evitar el contacto simultáneo con las dos carcasas metálicas. Pero esto
plantea un riesgo adicional y es que el primer fallo de aislamiento en un equipo
Clase I puede poner a tierra el circuito.
Los equipos de Clase II, no hay que conectarlos a este equipo
equipotencial, ni siquiera cuando la cubierta fuese metálica. En el caso de que
existiese un solo equipo Clase I, no habría riesgo de contacto indirecto y por tanto
no sería necesario conectarlo a un conductor de protección.
91
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Circuitos de corriente continua
Se puede decir que son dos los requisitos para proteger contra el contacto
indirecto en la parte de continua:
•
Que la limitación de la tensión en circuito abierto del generador
fotovoltaico sea de 120 V.
•
Que los circuitos de corriente continua y los de alterna estén aislados
galvánicamente con una separación equivalente a la que proporciona un
transformador de aislamiento que el inversor sea Clase II.
En principio, no hay aparentes dificultades para que los inversores
incorporen transformadores de aislamiento, excepto el coste adicional de tales
componentes. La necesidad de un inversor Clase II se justifica porque la carcasa
metálica exterior puede poner en contacto los circuitos de corriente continua con
los de alterna, incluso, aunque exista un transformador de aislamiento entre
ambos.
Ya que el requisito de Clase II puede ser muy riguroso, es buena idea
buscar alguna solución alternativa que sea menos exigente pero igual de segura.
Así, al menos un circuito dentro del inversor, el de continua o el de alterna, tiene
que estar separado de la carcasa metálica con un aislamiento equivalente a Clase
II. En este caso y para los propósitos de la aplicación de medidas contra el choque
eléctrico, hay que considerar que la carcasa metálica pertenece al circuito del cuál
no está separada. Por ejemplo, si la carcasa está separada del circuito de corriente
alterna, debe estar sujeta a las medidas de protección aplicadas en el circuito de
corriente continua, y viceversa.
En principio, este requisito mínimo imprescindible se puede cumplir
fácilmente en el circuito de alterna sin más que conectar a la salida del
92
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
transformador de aislamiento un cable Clase II o enchufes con este nivel de
aislamiento. En el circuito de continua es un poco más complicado, ya que los
semiconductores de potencia suelen estar en contacto con la carcasa metálica,
directamente o a través del disipador. Para conseguir el aislamiento requerido, se
pueden utilizar semiconductores que tengan la base metálica aislada de los
terminales activos o bien, puede utilizarse algún tipo de interfaz térmica que sea al
mismo tiempo buen aislante eléctrico para separar los semiconductores del
disipador o de la carcasa metálica exterior. También hay que prestar atención a la
configuración del inversor prefijada por el fabricante. Por ejemplo, algunos
inversores traen de serie una conexión interna entre la carcasa y el conductor
negativo, algo que debe ser conocido de antemano para evitar conexiones
redundantes o no deseadas de puesta a tierra.
Además del inversor, la instalación de los circuitos de corriente continua y
de alterna debe asegurar que ambos queden separados de manera segura. Entre las
diferentes soluciones que pueden adoptarse, la más fácil es separar físicamente el
tendido de los cables, por ejemplo, usando conductos o trazados diferentes. La
Figura siguiente muestra un ejemplo de esta solución, en la que el cableado DC
esta fuera de la casa y físicamente separado del cableado AC, que está dentro (la
batería y el inversor están conectados a través de la pared).
Fig. 5-12 Ejemplo de separación física entre circuitos de alterna y continua
93
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Por tanto, si el inversor y la instalación de los circuitos DC y AC aseguran
una separación segura equivalente a la que proporciona un transformador de
aislamiento, la protección contra el contacto indirecto en los circuitos de corriente
continua está asegurada. Estos circuitos pueden dejarse flotantes, o conectarlos a
tierra. La puesta a tierra puede ser necesaria por otras razones diferentes de la
protección contra el contacto indirecto, por ejemplo, para mejorar la protección
contra sobretensiones, y puede utilizarse la misma toma tierra de los circuitos de
corriente alterna.
Si a pesar de todo lo expuesto anteriormente no se puede asegurar una
separación segura entre la parte de continua y alterna, será necesario aplicar un
conjunto de medidas de protección denominadas tensión extrabaja funcional.
Primeramente, la protección contra el contacto directo es siempre
necesaria sea cual sea el valor se la tensión continua, porque existe posibilidad de
que aparezcan tensiones provenientes de los circuitos de corriente alterna.
En segundo lugar, en cuanto a la protección contra el contacto indirecto, la
IEC-60364 exige que las partes metálicas de los equipos Clase I de corriente
continua, estén sujetos a las misma protección que se haya aplicado en el lado de
alterna, es decir, se deben conectar a tierra o bien, al conductor equipotencial si se
trata de un sistema flotante.
Sin embargo, estas soluciones, adecuadas para la red eléctrica, plantean
serias dificultades en sistemas fotovoltaicos autónomos. Primero, por la presencia
de las baterías y el consecuente riesgo de cortocircuitos. Y segundo, por la
complejidad del diseño de los medios de protección, ya que éstos deben ser
capaces de detectar fugas de corriente entre los circuitos de continua y alterna, y
94
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
después asegurar que el inversor separa o reduce su tensión a menos de 50 V, por
ello se recomienda el uso de Clase II o aislamiento equivalente en los circuitos de
corriente continua. Esta recomendación sigue las pautas indicadas por la IEC para
sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica. El requisito de aislamiento
Clase II también incluye a los módulos FV. En este caso, a pesar de que los
módulos sean Clase II, los marcos y la estructura metálica, si las hay, pueden
ponerse a tierra por razones distintas a la protección contra el choque eléctrico,
por ejemplo, si se pretende proteger al sistema contra sobretensiones.
95
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
5.3.3 Recapitulación
Protección contra el contacto directo en el lado de alterna
En esta parte la protección es indispensable ya que la tensión de operación
de los inversores suele ser de 120 o 230 V en corriente alterna, cifra que supera
los 50 V permitidos. El uso de diferenciales de alta sensibilidad (≤ 30mA) es
apropiado cuando el sistema se ponga a tierra.
Protección contra el contacto directo en el lado de continua
Si se verifica que se utilizan generadores fotovoltaicos con una tensión de
circuito abierto menor de 120V y
•
El inversor dispone de un transformador de aislamiento
•
El circuito de corriente continua, o de alterna, dentro del inversor está
separado de la carcasa metálica exterior con un aislamiento equivalente a Clase
II.
Esta protección sólo será necesaria cuando la tensión en circuito abierto
del generador fotovoltaico, sea mayor de 60V. Si una de las dos condiciones
anteriores no se cumplen, la protección contra el contacto directo debe aplicarse
siempre e independientemente de la tensión de operación.
Protección contra el contacto indirecto en el lado de alterna
La protección puede realizarse tanto si el sistema está puesto a tierra como
si es flotante. Si todos los equipos son de Clase II, la protección contra el contacto
96
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
indirecto está garantizada y no es necesaria ninguna medida de protección
adicional. En principio cualquier equipo de Clase I se puede convertir en uno de
Clase II metiéndolo en una caja aislante mientras se lleva a cabo la instalación, en
esta caso es el sentido común el que se encarga de evaluar si el nivel de
aislamiento es el correcto, en vez de seguir estrictamente las Normativas.
Para diseñar las medias de protección, se define la corriente que activa el
dispositivo de desconexión, I a , como aquella que provoca la interrupción de la
alimentación cuando se produce un fallo de aislamiento. Sin embargo, si la
desconexión se produce por la actuación de la protección de cortocircuito del
inversor o de un interruptor automático, I a , es la corriente que provoca su
funcionamiento instantáneo, se debe tener en cuenta que el tiempo de actuación de
estos dispositivos son menores que los tiempo de exposición al fallo considerados
como peligrosos. En el caso de tratarse de un fusible, esta corriente es aquella que
asegura su actuación en un tiempo inferior a los 5 segundos.
En cuanto a los sistemas puestos a tierra deben cumplir:
•
El neutro debe ponerse a tierra.
•
Todas las masa metálicas de los equipos Clase I deben conectarse a la
toma de tierra a través de un conductor de protección.
•
La resistencia del conductor de protección ente cualquier equipo Clase I
y su conexión a tierra, multiplicada por la intensidad que le recorre debe se
inferior a 50V.
•
Igualmente la resistencia de puesta a tierra multiplicada por la intensidad
que le atraviesa debe ser menor a 50V, aunque este requisito no es tan estricto
si se utilizan diferenciales como protección.
En el caso de los sistemas flotantes deben de cumplir:
97
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
•
Se debe reducir la posibilidad de fallos de aislamiento entre los
conductores y tierra en la red de distribución de alterna, usando, por ejemplo,
cables con doble aislamiento o conductos aislantes.
•
Si la instalación sólo tiene un equipo Clase I, no es necesario conectar su
carcasa metálica a ningún conductor de protección.
•
En el caso contrario que existan dos o más equipos de Clase I, sus
carcasa metálicas deben estar conectas por medio de un conductor
equipotencial cuya resistencia entre ambos equipos multiplicada por la
intensidad pasante no debe ser superior a 50V.
Protección contra el contacto indirecto en el lado de continua
Si se verifican las mismas condiciones que las citadas en el apartado de
protección contra el contacto directo en continua, la protección está garantizada.
Si alguna de ellas no se cumple la protección debe realizarse mediante equipos
Clase II, incluidos los módulos fotovoltaicos, en cuyo caso no implica que no
puedan tener un marco.
98
6
ESTANDARIZACIÓN
DE LOS SISTEMAS DE
PROTECCIÓN PARA
INSTALACIONES
FOTOVOLTACIAS
AISLADAS
99
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
6 ESTANDARIZACIÓN DE LOS SISTEMAS
DE PROTECCIÓN PARA INSTALACIONES
FOTOVOLTAICAS AISLADAS
Para el estudio de las protecciones se han escogido cuatro instalaciones
tipo de ISOFOTÓN, para analizar qué puntos de peligro presentan y cómo
protegerlos. De esta forma se llegará a la estandarización buscada.
La clasificación de los sistemas que se han estudiado se ha realizado en
función de la potencia de los mismos y su configuración. Por una parte se han
analizado tres SHS, de distintos tamaños y potencias:
•
SHS P<100Wp.
•
SHS 100Wp<P<700Wp.
•
SHS P>700Wp
Y para el estudio de las protecciones en una Central Híbrida, se ha tomado
como referencia una de 20Wp.
100
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
6.1 SHS: P<100Wp.
Para estudiar este tipo de sistema se ha tomado una instalación de Ghana
(ver anexo A-2, Fotos) de 80Wp.
En esta instalación se alimenta en continua a 12V y consta de:
•
Un panel IS-80/12, de 80Wp y 21.6 V de tensión en circuito abierto.
•
Una batería 12.AV.136 de 100Ah y 12V.
•
Un regulador ISOLER de 10A y 12V.
Estudio de las protecciones
Para realizar el análisis de protecciones se irá estudiando los valores de
corriente y tensión en cada parte del circuito, distinguiendo la parte continua de la
de alterna.
Esta instalación sólo alimenta en continua, por lo que al no haber circuito
de alterna, no se requieren protecciones para este lado.
En la parte de continua el valor de tensión en circuito abierto de los
paneles es de 21.6V. Según la IEC-61140, sólo se pondrán protecciones si se
superan los 50V permitidos. Como no es así, no harán falta.
Por tanto no requiere protecciones contra contacto directo o indirecto
en continua.
101
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
En cuanto al riesgo de que se produzca una sobretensión, se puede
consultar el índice isoceráunico de la zona (ver anexo A-5, Mapas de África), pero
al tratarse de un SHS de pequeñas dimensiones y bajos valores de potencia, según
el estudio realizado por el Comité Europeo no se pondrán protecciones para este
tipo de contingencias. Además, en este caso el regulador tiene varistores en su
electrónica interna (ver anexo A-3, Fichas técnicas, y anexo A-4, Ensayos en el
laboratorio) por lo que se encuentra protegido para pequeñas sobretensiones.
No requiere protecciones contra sobretensiones.
Los valores de sobrecorrientes que pueden aparecer son muy pequeños.
Igualmente el regulador posee protecciones internas (ver anexo A-3, Fichas
técnicas), para protegerse sobre estas contingencias, por lo que poner protecciones
sería redundante.
No requiere protecciones contra cortocircuitos o sobrecargas
A continuación se muestra el esquema eléctrico de la instalación en donde
se puede apreciar la ausencia de protecciones.
102
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
I - 80
D-Box 1
light 1 ( Delta 18/12 )
L2-b
L2
Mod.
L2-a
switch and socket 1
L1
L4
L3
+
D-Box 2
L3-b
BAT.
light 2 ( Delta 18 / 12 )
12 AV 136
L3-a
Cable length proposed:
L1 10 m (Mod to Reg)
L2 10 m (Reg to Box1)
L3 8 m (Box1 to Box 2)
L4 2 m (Reg to Bat.)
L2-a 2 m
L2-b 3 m
L3-a 2 m
L3-b 3m
Cable sections
2 x 6 mm2
2 x 6 mm2
2 x 6 mm2
2 x 6 mm2
3 x 1,5 mm2
2 x 1,5 mm2
2 x 1,5 mm2
2 x 1,5 mm2
switch 2
i s o f o t ó n
103
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
6.2 SHS: 100<P<700 Wp
Para estudiar este tipo de sistema se ha tomado una instalación de una
escuela en Mozambique (ver anexo A-2, Fotos) de 700Wp.
En esta instalación se alimenta en continua y en alterna y consta de:
•
7 paneles I-100/24, de 100Wp cada uno de potencia y 43.2V en circuito
abierto.
•
12 Baterías AT 519, de 390Ah y 2V cada una.
•
Un regulador ISOLER de 24V.
•
Un inversor PHOENIX, de 24V en continua y 220V en alterna
Estudio de las protecciones
En el lado de alterna el valor de la tensión a la salida del inversor es de
220V. Según establece la Norma IEC-61140, se deben de poner protecciones
frente al contacto directo e indirecto, para este valor de tensión ya que supera los
25 (ó 50V permitidos). Para ello se usará:
¾ Para el contacto directo, diferenciales
¾ Para el contacto indirecto, se pondrán los equipos (inversor) a
tierra (configuración TN-S).
En cuanto a la parte de continua, en los paneles, el valor de la tensión en
circuito abierto es de 44V, aproximadamente. Como está por debajo se los 50V
104
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
permitidos por la IEC-61140, no serán necesarias las protecciones frente al
contacto directo o indirecto.
Puede ocurrir que se de el caso de un SHS con las mismas características
que éste, pero que alimente en continua solamente. Este tipo de configuraciones
tiende a extinguirse ya que cada vez se procura, con mayor frecuencia, alimentar
en alterna, pero si se diera una instalación de este tipo, entonces los valores de
tensión en circuito abierto serían mayores a los 50V permitidos y habría que poner
protecciones frente al contacto directo e indirecto.
A la hora de determinar la necesidad de proteger frente a sobretensiones,
al tratarse de un SHS de pequeñas dimensiones y bajos valores de potencia, según
el estudio del Comité Europeo no se pondrán protecciones para este tipo de
contingencias. Además, en este caso el regulador tiene varistores en su electrónica
interna (ver anexo A-3, Fichas técnicas, anexo A-4, Ensayos en el laboratorio),
por lo que sería poner protecciones redundantes.
No requiere protecciones contra sobretensiones.
Para diseñar las protecciones frente a cortocircuitos y sobrecargas, se
deben analizar los siguientes aspectos:
•
Los valores de sobrecorrientes que pueden aparecer en continua son muy
pequeños. Igualmente el regulador posee protecciones internas (ver anexo A-3,
Fichas técnicas), para protegerse sobre estas contingencias, por lo que no son
necesarias las protecciones de continua.
•
En el circuito de alterna se pueden producir sobrecargas que pueden
dañar tanto a los equipos como a las personas, por lo que se pondrán
protecciones, compartidas con las protecciones para el contacto directo o
105
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
indirecto, ya que como ya se ha señalado, uno de estos contactos puede
producir este tipo de contingencias.
•
Según el REBT, cuando se alimenta a una vivienda en alterna se deben
poner protecciones diferenciales y un interruptor automático.
Por todo esto, en el lado de continua no se pondrán protecciones frente
a cortocircuitos o sobrecargas. En cambio en el lado de alterna se deberá
poner un diferencial y un magnetotérmico para este tipo de contingencias.
A continuación, se muestra el esquema central de la escuela de
Mozambique donde se puede apreciar dónde irían ubicadas las protecciones.
106
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
serie 7 módulos
+
+
+
Caixa de CC
+ -
-
-
-
-
7 Modulos: Isofoton I-100/24
Caixa de CA
Tg
victron energy
On
Off
+
24 Vcc
-
-
+
Tg
+
-
+
-
+
-
12 vasos 2 AT 519
Banco de Baterias
Electrificaçao de 40 povoados com sistemas de energia solar
i s o f o t ó n
107
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
6.3 SHS: P>700 Wp
Para estudiar este tipo de sistema se ha tomado una instalación de un
Centro de Salud en Mozambique de 2300Wp.
En esta instalación se alimenta en continua y en alterna y consta de:
•
23 paneles
I-100/24, de 100Wp de potencia cada uno y 42.3V en
circuito abierto, distribuidos en tres ramas de ocho, ocho y siete paneles, cada
una, conectados en paralelo ente sí. Cada una de las ramas va conectada a un
regulador.
•
12 Baterías AT 1500, de 1120Ah y 2V
•
Tres reguladores ISLOER de 24V
•
Un inversor PHOENIX, de 24V en continua y 220V en alterna.
Estudio de las protecciones
En el lado de alterna el valor de la tensión es de 220V, por lo que, según
determina la Norma IEC-61140, se deben de poner protecciones frente al contacto
directo e indirecto. Para ello se emplearán:
¾ Para el contacto directo, diferenciales
¾ Para el contacto indirecto, se pondrán los equipos (inversor) a
tierra (configuración TN-S).
En el lado de continua, los valores de tensión en circuito abierto, no
superan los 50V, por lo que no se necesitan este tipo de instalaciones.
108
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
Para diseñar loas sobretensiones se debe tener en cuenta que es un SHS de
dimensiones medias y valores medios de potencia. Según la Normativa del
Comité Europeo no se pondrán protecciones para este tipo de contingencias.
Además, en este caso el regulador tiene varistores en su electrónica interna (ver
anexo A-3, Fichas técnicas, anexo A-4, Ensayos en el laboratorio). Pero si
estuviese situada en una zona donde el nivel de lluvias es elevado (índice
isoceráunico alto), convendría ponerlas. Para ello se estudiaría la distribución de
tormentas en la zona (Ver anexo A-5, Mapa de África)
No requiere protecciones contra sobretensiones.
A la hora de analizar las protecciones frente a sobreintensidades se tendrá
en cuenta lo siguiente:
•
Los valores de sobrecorriente que pueden aparecer en continua son muy
pequeños. Igualmente el regulador posee protecciones internas (ver anexo A-3,
Fichas técnicas), para protegerse sobre estas contingencias, por lo que poner
protecciones de continua sería redundante.
•
En el circuito de alterna se pueden producir sobrecargas que pueden
dañar tanto a los equipos como a las personas, por lo que se pondrán
protecciones, compartidas con las protecciones para el contacto directo o
indirecto, ya que como ya se ha señalado, uno de estos contactos puede
producir este tipo de contingencias.
•
Según el REBT, cundo se alimenta a una vivienda en alterna se deben
poner protecciones diferenciales y un interruptor automático.
Por todo esto, en el lado de continua no se pondrán protecciones frente
a cortocircuitos y sobrecargas. En cambio en el lado de alterna se deberá
poner un diferencial o un magnetotérmico, frente a estos.
109
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
A continuación, se muestra el esquema eléctrico del Centro de Salud en
Mozambique, con la ubicación de las protecciones en el mismo.
110
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
serie 8 m ódulo s
+
+
+
+
C aixa de C C
se rie 1º
-
-
-
+
+
+
+
+ -
se rie 2º
-
+ -
+ -
-
-
+
+
+
+
se rie 7 m ódulos
se rie 3º
-
-
-
2 3 M o du lo s: Iso foto n I-100/24
Tg
C aixa d e C A
victron energy
On
O ff
+
+
-
+
24 V cc
-
-
+
-
Tg
1 2 vaso s 2 A T 1500
B anco d e B a terias
E lectrificaçao de 40 povoados com sistemas de energia solar
i s o f o t ó n
111
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
6.4 Central Híbrida
Para estudiar este tipo de sistema se ha tomado una central híbrida en
Senegal (ver anexo A-2, Fotos) de 2300Wp.
En esta instalación, se produce energía eléctrica de forma centralizada y se
distribuye mediante una pequeña red a la aldea, en corriente alterna. Consta de lo
siguiente:
•
200 paneles I-100/12, de 100Wp de potencia cada uno y 21.6V en
circuito abierto, distribuidos en ocho ramas de 25 paneles cada una, conectados
en serie entre sí.
•
120 Baterías AT 1200, de 900Ah y 2V cada una.
•
Un inversor INGECOD, de 240V en continua y 220Ven alterna.
•
Un grupo electrógeno de 220V.
(Ver anexo A-3, Fichas técnicas)
Estudio de las protecciones
En el lado de alterna el valor de la tensión es de 220V, por lo que según
establece la Norma IEC-62257-5 y la IEC-61140, se deben de poner protecciones
frente al contacto directo e indirecto. Para ello se utilizará,
¾ Para el contacto directo, diferenciales de 30mA
¾ Para el contacto indirecto, se pondrán los equipos (inversor y
grupo electrógeno) a tierra. Preferiblemente con sistema TN-S
pero también se podría usar la configuración IT, que asegura
la continuidad del servicio ante una primera contingencia, y ya
112
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
que
en
las
centrales
hay
normalmente
técnicos
de
mantenimiento, estos evitarían un segundo problema.
Los valores de tensión en continua son de 240V, aproximadamente, por lo
que según la Norma IEC-61140, debido a que la se superan los 50V se requieren
las protecciones contra contactos directos e indirectos. Es importante comprobar
que estén separados los circuitos de alterna y continua. En este caso el inversor
posee a la salida un transformador de estas características (Ver anexo A-3, Fichas
técnicas).
Para los contactos directos se utilizarán fusibles en lugar de
magnetotérmicos, que son más económicos y al ser una Central, habrá siempre
una persona de mantenimiento que los puede cambiar en el caso de que fallen
(Ver anexo A-4, Ensayos en el laboratorio).
Para proteger contra contactos indirectos se pondrán los paneles a tierra,
por seguridad.
Al tratarse de una Central de dimensiones consideradas y valores medioelevados de potencia, según el estudio del Comité Europeo se pondrán
protecciones frente a las sobretensiones provocadas por la caída de un rayo en las
proximidades de la instalación, ya que se ha comprobado que si cae un rayo
directamente sobre la instalación es muy difícil que no se produzcan daños, sea
cual sea la protección utilizada.
Si estuviese situada en una zona donde el nivel de lluvias es elevado
(índice isoceráunico alto), convendría poner una pararrayos a la vez del
varistor, aunque éstos no siempre funcionan tan bien como cabe esperar. En cada
113
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
caso se hará el estudio para determinar lo más conveniente, por lo que conviene
analizar el nivel de lluvias de la zona (Ver anexo A-5, Mapa de África)
Por
último
en
cuanto
al
diseño
de
las
protecciones
contra
sobreintensidades se tendrá en cuenta las recomendaciones de la IEC- 62257-5,
siguientes:
¾ Poner fusibles (de continua) en los módulos si hay más de cinco
ramas.
¾ Poner un fusible (de continua) que vaya de las baterías al inversor
para proteger a este último de posibles sobrecargas. En inversores
de gran tamaño y algunos de última generación, esta protección
viene incluida en el propio equipo.
•
En el circuito de alterna se pueden producir sobrecargas que pueden
dañar tanto a los equipos como a las personas, por lo que se pondrán
protecciones, compartidas con las protecciones para el contacto directo o
indirecto, ya que como ya se ha señalado, uno de estos contactos puede
producir este tipo de contingencias.
•
Según el REBT, cundo se alimenta a una vivienda en alterna se deben
poner protecciones diferenciales y un interruptor automático.
Por todo esto, en el lado de continua se pondrán fusibles. En cambio
en el lado de alterna se deberán poner diferenciales y fusibles.
114
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
A continuación se muestra el esquema de la Central Híbrida de Senegal
utilizada como referencia, donde se pueden ver la ubicación de las protecciones
dentro del esquema eléctrico.
115
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
serie 25 modulos
Boite de CA
Isc 6,54 A
-
+
+
+
Imáx 5,74 A
serie 8º
Boite de CC
-
+
-
S
Cg
Sa
200 Modulos
M1
M2
M3
CL
Street
Lights
Contactor
Contactor
L1
-
+
+
+
- +- +
Bp1
Bp1
Bp2
serie 1º
G
-
+
-
-
Onduleur:
"Ingecon Hibrid"
30 kW
Modulos: Isofoton I-100/12
Generador Fotovoltaico
L4
L2
L8
L6
Tg
X2
L3
X1
A Consumos e
Iluminación Pública
L7
Tg
+
+ -
+ -
240 Vcc
-
CIDW -T 70
+ -
L5
N
R
S
T
R
R
R
R
120 vasos 2 AT 1200
Banco de Baterias
Groupe Electrogene
i s o f o t ó n
116
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
6.5 Análisis económico
Se pretende estimar qué porcentaje del coste total de una instalación
supone el uso de las protecciones que se han señalado anteriormente. Para ello se
han utilizado catálogos de los fabricantes, más conocidos, de este tipo de
dispositivos.
En el caso del SHS de 80Wp, como no se ponen protecciones, no se tienen
gastos en las mismas.
Para el SHS de 700Wp, se necesita un diferencial, un magnetotérmico,
fusibles y picas de puesta a tierra. Todo ello supone un 2.2% del valor total de la
instalación. Esto equivale a 0.14€/Wp.
5; 0,66
6; 0,47 7; 0,14
1; 3
4; 0,56
3; 2,49
2; 0,25
Fig. 6-1 Porcentajes de costes para un SHS de 700Wp
En la gráfica anterior se muestra los porcentajes de costes que supone
cada parte de la instalación siendo:
1. Los módulos
117
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
2. El regulador de carga
3. Las baterías
4. La estructura
5. El kit eléctrico
6. El inveror
7. Las protecciones
Para el SHS de 2300Wp, se necesita fusibles en la parte continua y un
diferencial, un magnetotérmico y fusibles para alterna, varistores y las picas de
puesta a tierra. Todo ello supone un 4.44% del coste total de la instalación
aproximadamente. Esto equivale a 0.29€/Wp.
6; 0,7
7; 0,29
5; 0,47
1; 3
4; 0,4
3; 1,54
2; 0,08
Fig. 6-2 Porcentajes de costes para un SHS de2300 Wp
En la gráfica anterior se muestra los porcentajes de costes que supone cada
parte de la instalación siendo:
1. Los módulos
2. El regulador de carga
118
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
3. Las baterías
4. La estructura
5. El kit eléctrico
6. El inveror
7. Las protecciones
Por último, la Central Híbrida requiere todo tipo de protecciones, lo cual
supone un 1.2% del coste total de la instalación que equivale a 0.085€/Wp.
5; 0,75
7; 0,085
6; 0,4
1; 3
4; 1
3; 1
2; 1,08
Fig. 6-3 Porcentajes de costes para una Central Híbrida
En la gráfica anterior se muestra los porcentajes de costes que supone cada
parte de la instalación siendo:
1. Los módulos
2. Las baterías
3. La estructura
4. El Inversor
119
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
5. El grupo electrógeno
6. El Kit eléctrico
7. Las protecciones.
120
7
CONCLUSIONES
121
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
7 CONCLUSIONES
De todo lo expuesto anteriormente, se comprueba, que este tipo de
instalaciones presentan unas características diferentes a los sistemas conectados a
la red nacional. Por ello a la hora de diseñar las protecciones se deben tener en
cuenta aspectos diferentes.
En cuanto a la necesidad de protecciones en función del tipo de instalación
estudiado, la tabla siguiente muestra las conclusiones obtenidas:
Protección Protección
contra rayos y
contacto
directo
indirecto
√
√
220 Vac
√
√
√
√
> 48 Vcc
√
√
√
√
220Vac
√
√
√
√
< 48 Vcc
SHS 2
100-70Wp
> 48 Vcc
> 700 Wp
< 48 Vcc
SHS 3
Híbrida
contra
contacto
100 Wp
> 10 kWp
Protección
contra
SHS 1
Central
Protección
contra
cortocircuitos sobretensiones
Empleando:
•
Diferenciales y puestas a tierra para los contactos directos en alterna.
•
Fusibles o magnetotérmicos para los contactos directos en continua.
122
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
•
Fusibles o magnetotérmicos y equipos Clase II, para los contactos
indirectos.
•
Fusibles o magnetotérmicos para las sobrecorrientes (cortocircuito).
•
Varistores, puestas a tierra y pararrayos para las sobretensiones.
123
8
BIBLIOGRAFÍA
124
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
8 BIBLIOGRAFÍA
[BECK00]
Becker, H., y otros. “Lightning and overvoltage protection
in photovoltaic and solar thermal systems”, European
Commission, 2000.
[CAST00]
Castro Gil, M., “Energía solar fotovoltaica”, Progensa,
2000.
[HASS91]
Hasse, P., “Protección contra sobretensiones de baja
tensión”, Paraninfo S.A, Alemania, 1991.
[KINI02]
Kininger, F., “Photovoltaic Irbid Systems”, Universität
Kassel, Alemania, 2002.
[LORE94]
Lorenzo, E., “Electricidad solar: ingeniería de los sistemas
fotovoltaicos”, Universidad Politécnica de Madrid, Instituto
de Energía Solar, 1994.
[MUÑO04]
Muñoz Cano, J., “Recomendaciones sobre el uso de
corriente alterna en la electrificación rural fotovoltaica”,
Tesis Doctoral, Universidad Politécnica 2004.
[TORR03]
Torres González, J.L., “Riesgos y protecciones en Baja
Tensión”, AENOR, 2003.
125
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
[DESC04]
Desconocido, “V Curso de experto profesional en energía
fotovoltaica”, UNED, 2004.
Otras fuentes:
¾ Norma IEC-61140, “Protection against electric shock”.
¾ Norma IEC-60479, “Effects of current on human beings and
livestock”.
¾ Norma IEC-62257, “Recommendations for small renewable energy
and hybrid systems for rural electrifications”.
¾ “Guidelines for System Design and Operation”, Research and
Development Division, Electricite de France, 1997.
¾ “Universal Technical Satandard for Solar Home Systems”,
Thermie B SUP 995-96, EC-DGXVII, 1998.
¾ Catálogo de Merlin Gerin, “Guía de protecciones diferenciales de
Baja Tensión”
¾ Catálogo de Merlin Gerin, “Aparamenta modular. Cofrets
Modulares. Tomas Industriales”
¾ Catálogo de DF Electric, Tarifa 2005.
Fuentes de internet:
¾ www.censolar.es
¾ www.inersol.com
¾ www.ies.upm.es
¾ www.asif.es
¾ www.teprem.com
¾ www.uni-solar.com
126
Estandarización de los sistemas de protección en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Touchard Díaz-Ambrona, Cristina
¾ www.solar.sharpusa.com
¾ www.mrsolar.com
¾ www.self.org
¾ www.napssystems.com
¾ www.rnel.com
¾ www.landsa.es
¾ www.ing.unlp.edu.org.
¾ www.esfera.com
¾ www.solarweb.net
¾ www.iec.ch.com
¾ www.abb.es
¾ www.cyberallgroup.com
¾ www.schneiderelectric.es
¾ http://bdd.unizar.es/
127
ANEXOS
ANEXOS
I
ANEXOS
ÍNDICE
A.
PICAS DE PUESTA DE TIERRA................................................................... III
B.
FOTOS ...........................................................................................................XII
i.
Fotos de los SHS ........................................................................................ XII
ii.
Fotos de un sistema centralizado .............................................................. XIV
C.
ENSAYOS EN EL LABORATORIO DE ISOFOTÓN ................................ XVI
i.
Comparativa fusible vs magnetotérmico................................................... XVI
ii.
Varistores............................................................................................. XXVIII
iii.
Interruptor diferencial .......................................................................... XXXII
D.
MAPAS DE ÁFRICA ..............................................................................XXXIII
i.
Distribución de lluvias y tormentas en África...................................... XXXIII
II
ANEXOS
A) ANEXOS
a.
PICAS DE PUESTA DE TIERRA
Los tipos de electrodos más utilizados son:
a) Placas enterradas. Las placas de cobre tendrán un espesor mínimo de 2
mm y las de hierro galvanizado de 2,5 mm. En ningún caso la superficie útil de
la placa será inferior a 0,5 m2. Se colocarán en el terreno en posición vertical y,
en el caso en que sea necesaria la colocación de varias placas, se separarán unos
3 metros unas de otras.
Las más utilizadas son las de 0,5 m * 1 m y las de 1 m * 1 m. Para la
puesta a tierra de apoyos de líneas aéreas y columnas de alumbrado público,
cuando lo necesiten, será suficiente electrodos que tengan en conjunto una
superficie de contacto con el terreno de 0.25 m2, con lo que se pueden utilizar de
0,5 m * 0,5 m.
III
ANEXOS
Fig.A- 1 Picas de puesta a tierra
b) Picas verticales. Las picas verticales podrán estar constituidas por:
•
Tubos de acero galvanizado de 25 mm de diámetro exterior, como
mínimo.
•
Perfiles de acero dulce galvanizado de 60 mm de largo, como mínimo.
•
Barras de cobre o de acero de 14 mm de diámetro como mínimo; las
barras de acero tienen que estar recubiertas de una capa protectora exterior de
cobre de espesor apropiado.
Las longitudes mínimas de estos electrodos no serán inferiores a 2 m. Si
son necesarias dos picas conectadas en paralelo con el fin de conseguir una
resistencia de tierra admisible, la separación entre ellas es recomendable que sea
igual, por lo menos, a la longitud enterrada de las mismas; si son necesarias
IV
ANEXOS
varias picas conectadas en paralelo, la separación entre ellas deberá ser mayor
que en el caso anterior.
c) Conductores enterrados horizontalmente. Estos conductores pueden
ser:
•
Conductores o cables de cobre desnudo de 35 mm2 de sección, como
mínimo.
•
Pletinas de cobre de 35 mm2 de sección, como mínimo, y 2 mm de
espesor.
•
Pletinas de acero dulce galvanizado de 100 mm2 de sección, como
mínimo, y 3 mm de espesor.
•
Cables de acero galvanizado de 95 mm2 de sección. El empleo de cables
formados por alambres menores de 2.5 mm de diámetro está prohibido.
•
Alambres de acero de 20 mm2 de sección, como mínimo, cubiertos con
una capa de cobre de 6 mm2 como mínimo.
Los factores que intervienen en el valor definitivo de la resistencia de la
toma de tierra y de su estabilidad son:
a) Resistividad del terreno
La composición química del terreno y el tamaño de las partículas que lo
forman serán dos factores decisivos sobre el valor de la resistividad del terreno.
De los datos ofrecidos en la tabla A-1, pueden sacarse ideas y
conclusiones muy interesantes. Por ejemplo, puede deducirse que del tamaño de
las partículas de que se compone el terreno depende el valor de su resistencia.
Así, la arena tiene una resistividad notablemente menor que la grava.
V
ANEXOS
b) Humedad
El estado hidrométrico del terreno influye de forma muy apreciable sobre
la resistividad: al aumentar la humedad disminuye la resistividad y viceversa.
Por tal motivo, y con el fin de obtener valores estables de resistencia de la
toma de tierra, se aconseja profundizar lo más posible, para obtener terrenos con
un grado de humedad lo más constante posible. En ocasiones se puede llegar a
alcanzar zonas de agua (nivel freático), en donde la resistencia de la toma de
tierra tendrá valores bajísimos y muy estables.
c) Temperatura
Las variaciones de temperatura también afectan al valor de la resistencia
de la toma de tierra, de manera que a temperaturas bajo cero, como consecuencia
de la congelación del agua que contenga el terreno, los electrolitos se ven
inmovilizados, y la resistencia crece a valores muy grandes.
Este es un motivo más para recomendar que las tomas de tierra deben
hacerse lo más profundas posible, donde la temperatura del terreno alcanza
valores estables. En profundidades del orden de 10 metros, la temperatura
solamente sufre ligeras variaciones a lo largo del año y suele estar comprendida
entre 13º y 16ºC.
VI
ANEXOS
d) Salinidad del terreno
Como es lógico, al aumentar la salinidad de un terreno, la resistividad
disminuye. Por este motivo no es aconsejable regar en exceso los terrenos donde
hay una toma de tierra, ya que las sales serán arrastradas por el agua a zonas más
profundas, disminuyendo su efecto.
Según el Reglamento de baja tensión, la resistencia de tierra de un
electrodo depende de sus dimensiones, de su forma y de la resistividad del
terreno en el que se establece. Esta resistividad varía frecuentemente de un punto
a otro del terreno, y varía también con la profundidad.
Agregar al terreno carbón vegetal y cock, no perjudica en absoluto la
obtención de una buena y estable toma de tierra, no pudiendo decir lo mismo
cuando se agregan al terreno otros elementos tales como sales y ácidos que
indudablemente mejoran la conductividad de los terrenos, pero que por ser
altamente corrosivos, al cabo de un tiempo relativamente corto, oxidan y
destruyen la placa, con el consiguiente aumento de la resistencia.
Con el fin de obtener una primera aproximación de la resistencia de
tierra, los cálculos pueden efectuarse utilizando los valores medios indicados en
la Tabla A-1. La Tabla A-2 da, a título de orientación, unos valores de la
resistividad para un cierto número de terrenos.
Naturaleza del terreno
Valor medio de la resistividad en Ω . m
Terrenos cultivables y fértiles, terraplenes
compactos y húmedos
50
VII
ANEXOS
Terraplenes cultivables poco fértiles y terraplenes
500
Suelos pedregosos desnudos, arenas secas
permeables.
3.000
Tabla A 1 Resistividad de l terreno
Naturaleza del terreno
Resistividad en
Ω.m
Terrenos pantanosos
de algunas unidades a 30
Limo
20 a 100
Humus
10 a 150
Turba húmeda
5 a 100
Arcilla plástica
50
Margas y arcillas compactas
100 a 200
Margas del jurásico
30 a 40
Arena arcillosa
50 a 500
Arena silícea
200 a 3.000
Suelo pedregoso cubierto de césped
300 a 500
Suelo pedregoso desnudo
1500 a 3.000
Calizas blandas
100 a 300
Calizas compactas
1000 a 5000
Calizas agrietadas
500 a 1000
Pizarras.
50 a 300
Rocas de mica y cuarzo
800
Granitos y gres procedente de alteración
1.500 a 10.000
Granitos y gres muy alterados
100 a 600
Tabla A 2 Valores de la resistividad del terreno en función de la naturaleza del
terreno
Es importante insistir en que los cálculos efectuados a partir de estos
valores no dan más que un valor muy aproximado de la resistencia de tierra del
electrodo. La medida de resistencia de tierra de este electrodo puede permitir,
aplicando las fórmulas dadas en la Tabla A-3, estimar el valor medio local de la
VIII
ANEXOS
resistividad del terreno; el conocimiento de este valor puede ser útil para trabajos
posteriores efectuados en unas condiciones análogas.
La tabla A-3 nos muestra las distintas fórmulas para el cálculo de los
electrodos típicos utilizados en las tomas de tierra.
TIPO DE ELECTRODO
RESISTENCIA EN OHMIOS
Placa enterrada profunda -
Placa enterrada superficial -
Pica vertical -
Conductor enterrado horizontalmente -
Malla de tierra Tabla A 3 Fórmulas para calcular la resistencia de toma de tierra en función de su
configuración
Siendo:
•
R = resistencia de tierra del electrodo en Ω.
•
ρ = resistividad del terreno en Ω * m .
•
P = perímetro de la placa en metros.
•
L = longitud en metros de la pica o del conductor, y en malla la longitud
total de los conductores enterrados.
•
r = radio en metros de un círculo de la misma superficie que el área
cubierta por la malla.
IX
ANEXOS
El sistema más económico y por lo tanto el más utilizado para realizar
una toma de tierra, emplea como electrodos picas de acero cobreado de perfil
cilíndrico de unos 15 mm de diámetro y de 2 metros de longitud. Este tipo de
electrodos es introducido en el terreno a base de pequeños golpes, consiguiendo
de esta manera tan simple, resistencias relativamente bajas.
Existen picas acoplables mediante rosca y manguito que se pueden ir
uniendo una detrás de la otra, hasta que las mediciones obtenidas den el valor
óhmico deseado. Se inicia el proceso clavando la primera pica de extremo
roscado, el cual se ha protegido de los golpes con el llamado tornillo-sufridera.
Una vez clavada la primera pica, se quita la pieza de protección de la rosca y
mediante un manguito roscado se acopla la segunda pica, a la que a su vez se le
coloca también en su parte superior el tornillo-sufridera, para continuar con el
clavado de la segunda pica. Este proceso puede repetirse tantas veces como lo
permita el terreno, pudiendo llegar, en terrenos blandos, hasta profundidades de
10 y 15 metros.
Cuando la resistencia obtenida con una sola pica resulta excesivamente
grande, puede recurrirse a la colocación de varias picas en paralelo, debiendo
tener en cuenta la separación entre picas para evitar influencia entre ellas. Puesto
que la resistencia de una sola pica es
La resistencia de "n" número de picas será:
X
ANEXOS
Siendo K un coeficiente que se obtiene de la figura adjunta, en la que D/L
es la relación que existe entre la separación entre picas y la longitud de cada
pica.
Fig.A- 2 Gráfica de valores de K
Cuando se utilicen varias placas enterradas, se debe tener cuidado de que
estén separadas al menos 3m, para evitar influencias.
XI
ANEXOS
b.
i.
FOTOS
Fotos de los SHS
1.
SHS P<100Wp
XII
ANEXOS
2.
SHS: 100<P<700Wp
XIII
ANEXOS
ii.
Fotos de un sistema centralizado
1.
Central Híbrida
XIV
ANEXOS
XV
ANEXOS
c.
ENSAYOS EN EL LABORATORIO DE ISOFOTÓN
La empresa ISOFOTÓN, posee en Madrid un laboratorio para la
realización de ensayos y pruebas de los equipos que se utilizan tanto en las
instalaciones fotovoltaicas aisladas como en las de conexión a red. Como parte
del estudio de las protecciones eléctricas en este tipo de instalaciones
fotovoltaicas se realizaron una serie de sencillos ensayos para evaluar el método
de actuación de los distintos sistemas de protección y la ventaja de uno sobre
otro en función de la seguridad requerida.
i.
Comparativa fusible vs magnetotérmico
A continuación se presenta una serie de circuitos que se montaron para
evaluar la actuación de fusibles y magnetotérmicos. Ambas protecciones pueden
realizar operaciones parecidas pero factores como precio, durabilidad,
sensibilidad, seguridad, tamaño, etc. hacen que unas veces sea más ventajoso el
uso de uno frente al otro.
I) Circuito 1: fusible de 20A
Para la realización de esta prueba se realiza un cortocircuito con una
batería de 12V, de 60Ah de capacidad, cerrando el fusible que se quiere probar.
Las características del fusible que se prueba son las siguientes:
•
Fusible, gL-gG
I N = 20 A
U max = 500V
PN = 2.3W
I max, AC = 120kA
XVI
ANEXOS
Tamaño 10*20mm
El fusible se sitúa como se muestra en el siguiente diagrama:
+
F1
Batt.
12 Vcc
Al cerrar el circuito, haciendo pasar por el fusible una corriente mayor a
su intensidad nominal, se observa como el fusible se funde (esto se pudo
comprobar después midiendo su resistencia con un ohmímetro 2 ), quedando el
circuito abierto y por tanto el sistema protegido. Se evitan sobre corrientes que
puedan ser perjudiciales tanto para las personas como para los equipos.
Conclusiones
El fusible demuestra ser un dispositivo válido para la protección contra
sobre corrientes. Cualquier fallo en el sistema puede ser detectado por el fusible,
que abre el circuito y evita daños a equipos. Por las características constructivas
del fusible, si se desea volver a cerrar el circuito se debe reemplazar el fusible
por otro nuevo, lo que requiere a una persona que realice dicha operación.
2
Es un aparato diseñado para medir la resistencia eléctrica en ohmios. Debido a que la
resistencia es la diferencia de potencial que existe en un conductor dividida por le intensidad de
la corriente que pasa por el mismo, un ohmímetro tiene que medir dos parámetros, y para ello
debe tener su propio generador para producir la corriente eléctrica.
XVII
ANEXOS
En la siguiente imagen se puede apreciar que el fusible se introduce en
una carcasa de plástico que permite que el fusible actúe de seccionador abriendo
el circuito. Esto facilita las tareas de mantenimiento del sistema ofreciendo una
mayor seguridad al operario.
Fig.A- 3 Fotos de un fusible y su carcasa, tomadas en el laboratorio de ISOFOTÓN
II) Circuito 2: fusible de 20 A y magnetotérmico de 63 A
Para la realización de esta prueba se realiza un cortocircuito con una
batería de 12V, de 60Ah de capacidad, cerrando el fusible y el magnetotérmico
que se quieren probar.
Las características del fusible y del magnetotérmico que se prueban son
las siguientes
•
Fusible, gL-gG
XVIII
ANEXOS
I N = 20 A
U max = 500V
PN = 2.3W
I max, AC = 120kA
Tamaño 10*20mm
•
Interruptor magnetotérmico
I N = 63 A
El fusible y el magnetotérmico se sitúan como se muestra en el siguiente
diagrama:
+
Batt.
12 Vcc
F1
XIX
ANEXOS
Conclusiones
En este circuito se colocan dos tipos de protecciones con intensidades
nominales muy distintas para demostrar que las protecciones redundantes sólo
hacen aumentar las pérdidas.
Ambos dispositivos, tanto el fusible como el magnetotérmico,
demuestran ser válidos para proteger contra sobre corrientes.Al tener el fusible
una sensibilidad mayor, actúa siempre, en este caso, en primer lugar El
magnetotérmico simplemente hace aumentar las pérdidas ya que presenta un
caída de tensión debido a una pequeña resistencia óhmica, que es la que hace que
actúe la protección. Si dicha resistencia fuese nula, no serviría el dispositivo.
Se deben de poner las protecciones que sean realmente necesarias para
evitar aumentar las pérdidas por efecto Joule, de ahí la importancia de hacer un
buen diseño de las mismas y conocer cuáles son realmente necesarias para no
elevar los costes de la instalación ni disminuir la eficiencia de la misma.
III) Circuito 3 : magnetotérmico de 63 A
Para la realización de esta prueba se realiza un cortocircuito con una
batería de 12V, de 60Ah de capacidad, cerrando el magnetotérmico que se quiere
probar.
Las características del magnetotérmico que se prueba son las siguientes
•
Interruptor magnetotérmico
I N = 63 A
XX
ANEXOS
El magnetotérmico se sitúa como se muestra en el siguiente diagrama:
+
B a tt.
12 V cc
Conclusiones
El magnetotérmico es un dispositivo válido para la protección contra las
sobre corrientes. Sin la actuación del magnetotérmico, los niveles de intensidad
alcanzados harían subir tanto la temperatura que se podrían deteriorar algunas
partes del circuito. Como muestra la figura A-4, el cable está ligeramente
quemado tras actuar el dispositivo de protección. Si este no hubiese actuado las
consecuencias habrían sido peores.
De ahí la necesidad de las protecciones, no sólo para proteger a las
personas sino también para proteger a los equipos del circuito.
XXI
ANEXOS
Fig.A- 4 Fotos tomadas en el laboratorio de ISOFOTÓN
XXII
ANEXOS
IV) Circuito 4: fusible y magnetotérmico
Para la realización de esta prueba se realizan varios cortocircuito con una
batería de 12V, de 60Ah de capacidad, cerrando el magnetotérmico y el fusible
que se quiere probar en cada caso. Se busca sacar una serie de conclusiones en
cuanto a la velocidad de reacción de cada uno de ellos.
Las características de los dispositivos que se utilizaron fueron las
siguientes:
•
Fusible, gL-gG
I N = 20 A
U max = 500V
PN = 2.3W
I max, AC = 120kA
Tamaño 10*20mm
•
Fusible , gL-gG
I N = 10 A
•
Interruptor magnetotérmico, C16
I N = 16 A
XXIII
ANEXOS
El magnetotérmico y el fusible se sitúan como se muestra en el siguiente
diagrama:
+
Batt.
12 Vcc
F1
Conclusiones
En la primera conexión se usan un fusible de 20 A y un magnetotérmico
de 16 A de intensidad nominal. Tras producirse el cortocircuito, el
magnetotérmico siempre actúa mientras que el fusible nunca llega a fundirse,
sólo sufre un aumento de su temperatura, aumentando así las pérdidas del
circuito.
En la segunda conexión se cambia el fusible por uno de 10 A. Tras
producirse un primer cortocircuito, es el magnetotérmico el que actúa como
protección, debido al calentamiento que detecta en el fusible, a pesar de que su
intensidad nominal es mayor que la del fusible. Sin embargo, si se produce un
segundo cortocircuito, tras el rearme del magnetotérmico, entonces es el fusible
el que actúa, como era de esperar.
XXIV
ANEXOS
Por ello, se deduce que un magnetotérmico es mucho más rápido que un
fusible. Esta característica es muy importante tenerla en cuneta a la hora de
elegir un dispositivo u otro.
Tras estos ensayos, se pueden deducir ciertas ventajas y desventajas de
cada uno de los dispositivos:
Fusible
Magnetotérmico
Sensibilidad
Media
Alta
Tiempo de actuación
Rápido
Medio
Rearme
No
Sí
Otro aspecto a tener en cuenta a la hora de elegir uno u otro es el precio.
Si ninguna de las características mostradas anteriormente es de especial interés,
entonces éste recaerá en el precio o en un equilibrio entre todas ellas.
Precio
Fusible 20 A
6€
Magnetotérmico 16 A
13.50 €
XXV
ANEXOS
Como puede apreciarse en esta tabla, el precio de un magnetotérmico es
mayor que el de un fusible lo que supondría una desventaja a la hora de usar uno
de aquellos.
A la hora de escoger uno u otro se estudiarán las necesidades y las
condiciones que se dan en cada caso. Por ejemplo:
•
Si se trata de una instalación en una casa, donde no hay un
operario que puede cambiar el fusible si se funde, será mejor usar
un magnetotérmico que podrá ser rearmado automáticamente.
•
Si por el contrario es una central, donde hay una persona que
puede realizar el mantenimiento de la misma, se usará un fusible
que es más barato.
•
Si se desea una protección que aguante picos de corriente y que
no tenga un tiempo de actuación tan inmediato, es decir, que
aguante transitorios rápidos, se usarán fusibles.
En cada caso se analizarán las condiciones puntuales y se adaptará la
protección a las mismas.
En relación a lo mencionado ya sobre los fusibles de las centrales, se
pudo ver el tamaño de uno de estos y su disposición en el cuadro de mando de la
misma. A continuación se muestra una imagen tomada en el laboratorio:
XXVI
ANEXOS
Fig.A- 5 Foto de un fusible típico de una Central Híbrida tomado en el laboratorio
de ISOFOTÓN
XXVII
ANEXOS
Fig.A- 6 Foto de fusibles en el cuadro de mando de una Central Híbrida tomada en
el laboratorio de ISOFOTÓN
Como se puede apreciar en estas imágenes la conexión al circuito de un
fusible es peor que la del magnetotérmico, lo que hace que la resistencia de
contacto sea mayor, provocando una mayor caída de tensión y por tanto más
pérdidas. Es otra propiedad a tener en cuenta a la hora de escoger uno u otro.
ii.
Varistores
Los varistores son dispositivos que protegen de posibles sobretensiones
que puedan producirse por caída de rayos en las inmediaciones del terreno.
XXVIII
ANEXOS
En algunos sistemas, los propios componentes de la instalación llevan
varistores en su electrónica interna, por lo que no es necesario hacer uso de este
tipo de elementos.
A continuación se muestra una imagen del interior de un regulador,
modelo ISOLER D 30, donde se pueden observar en la parte inferior unas
pequeñas “lentejitas” azules que son los varistores.
Fig.A- 7 Foto de la electrónica interna de un regulador pequeño tomada en el
laboratorio de ISOFOTON
El varistor, una vez que ha realizado una protección se desintegra y hay
que reemplazarlo. Cuando se produce una sobretensión tipo rayo en una
instalación, éste puede crear picos de tensión de hasta 100.000 V, por lo que para
instalaciones más grandes no es suficiente con los varistores de los equipos y hay
que añadirlos a parte. Su labor principal es proteger la instalación. La siguiente
XXIX
ANEXOS
foto presenta cuatro tipos de varistores; uno de lenteja y otros tres de
características nominales diferentes.
XXX
ANEXOS
De nuevo, si se recurre a la experiencia, se debe afirmar que los
varistores aseguran una buena protección para los paneles solares, aunque no
siempre son tan buenos en el caso de proteger al inversor. Éste se ha visto
dañado en algunas de sus componentes tras recibir el impacto de un rayo.
También se conoce que si un rayo cae directamente sobre una central o
sobre una instalación es muy difícil que se salve, pero si se puede proteger frente
a las magnetizaciones de rayos que caen en sus proximidades, bien con el uso de
varistores como de pararrayos.
Los pararrayos presentan la peculiaridad de que muchas veces lo que
hacen es atraer a los rayos en vez de disiparlos. Se ha comprobado que en zonas
donde se han puesto estos dispositivos ha aumentado el número de impactos de
rayo recibidos, por lo que si se colocan, no es recomendable hacerlo justo
encima de la instalación y ahorrarse así un pararrayos grande. Compensa invertir
más dinero en él, diseñarlo más grande y colocarlo lejos de la instalación, de tal
forma que la proteja, pero sin aumentar la probabilidad de que caiga un rayo
directamente sobe la misma.
XXXI
ANEXOS
iii.
Interruptor diferencial
Estos dispositivos se usan para proteger a las personas frente a contactos
directos fundamentalmente. En el laboratorio no se pudo ensayar con ninguno de
ellos, pero revisando de nuevo las instalaciones ya existentes y en base a la
experiencia adquirida en distintas instalaciones, especialistas de ISOFOTON
constatan que, aunque los diferenciales suelen actuar cuando detectan una
corriente de más de 30 mA, (valor establecido según Normativa y de acuerdo a
la máxima corriente que puede soportar el cuerpo humano teniendo en cuenta su
resistencia al paso de la misma y el valor de tensión máxima admisible), en
muchas ocasiones, esta sensibilidad del diferencial hace que éste salte debido a
pequeños periodos transitorios de mínima duración, que no afectan ni a las
personas ni a la instalación. Por esta razón, en ocasiones es preferible utilizar
diferenciales de 300 mA, y evitar así cortes de protección por transitorios.
Por tanto se puede realizar la siguiente afirmación:
•
Para las instalaciones de edificios, en los SHS 3 , se usarán
diferenciales de 30 mA de sensibilidad ya que lo que prima en
estos casos es la seguridad de las personas que usan dichos
edificios
•
Para las Centrales Híbridas, se podrán utilizar diferenciales de
300 mA de sensibilidad, para evitar que actúen ante transitorios
inofensivos, ya que se considera que las personas que puedan
encontrarse en peligro en este tipo de instalaciones, las conocen y
actúan con mayor precaución.
3
Solar Home System
XXXII
ANEXOS
d.
i.
MAPAS DE ÁFRICA
Distribución de lluvias y tormentas en África
XXXIII
ANEXOS
1