Protecciones para sistemas fotovoltaicos •
Protecciones del circuito eléctrico
Contra sobrecargas: IEC 60269-6 Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems Contra sobretensiones transitorias: IEC 1173 Proteccion de sobretensiones para sistemas fotovoltaicos. IEC 553: Fluctuaciones de tensión
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Sistema de puesta a tierra
SPAT para protección a tierra y descargas atmosféricas: NBR-5410/97: IEC 1173: Protección de tierra.
CABLES XLPE Y PVC La temperatura de un conductor no deberá superar a la temperatura máxima admisible asignada para el uso del mismo.
Aislamientos termoestables XLPE: Aislación de XLPE (Polietileno Reticulado) y cobertura externa de PVC Polietileno reticulado. Su temperatura de trabajo puede llegar hasta los 90°C
Aislamiento termoplástico PVC PVC (policloruro de vinilo) Rango de temperatura en los 70 0 C La intensidad circulante genera una pérdida de potencia y una caída de tensión entre la tensión de origen y la tensión que llega a un punto de consumo. A mayor longitud de un cable, habrá mayor pérdida de tensión
CABLES XLPE Y PVC
CABLES XLPE Y PVC
Los tramos de cable en corriente continua (CC) serán de dos conductores activos (positivo y negativo) y de un conductor de protección o tierra.
CABLES XLPE Y PVC. Los conductores pueden ser de cobre o aluminio. Para instalaciones fotovoltaicas los conductores de aluminio son lo más utilizados. Tabla de conductores intensidades admisibles a 40°C.
Cableado
S: sección del conductor L: longitud del conductor I: corriente circulante ∆V: caída de tensión C: conductividad del conductor
Cableado En la siguiente tabla se indica los porcentajes de caída de tensión máxima para cada tramo de una instalación fotovoltaica.
PORCENTAJE DE CAIDA DE TENSION
TRAMOS
CAIDA DE TENSION MAXIMA
RECOMENDADA
Paneles al Regulador
3%
1,5%
Regulador al Acumulador
1%
0,5%
Acumulador al Inversor
1%
1%
Acumulador a las cargas CA
3%
1,5%
Cableado DATOS (según el ejemplo anterior) Especificaciones del panel fotovoltaico 3 cadenas en paralelo de dos paneles en serie Pm: 100W Voc: 22.7 V Isc: 5.89 A Vmp: 18.12 V Imp: 5.5 A
Tramo paneles al regulador 10 metros Tramo Regulador al Acumulador 7 metros Tramo batería al inversor 5 metros Tramo inversor al consumo 17 metros
Cableado El calculo anterior lo hemos basado en una temperatura de 20°C, sin embargo, sabemos que en la practica la circulación en el conductor generará una temperatura mayor, por lo tanto, para nuestro ejemplo tomemos una temperatura de trabajo de 70°C, a lo que corresponde de conductividad (del cobre) de 47m/Ω*mm2. Valores conductividad del cobre con la temperatura
20°C
30°C
40°C
50°C
60°C
70°C
80°C
90°C
56
54
52
50
48
47
45
44
Valores conductividad del aluminio con la temperatura 20°C
30°C
40°C
50°C
60°C
70°C
80°C
90°C
35
34
32
31
30
29
28
27
Cableado TRAMO DE CONEXIÓN PANELES - REGULADOR (10 metros) I = 3 (pfv en paralelo) * Imp= 3 * 5.5*1.25= 20.6 A (intensidad máxima circulante por ese tramo).
∆V= 3% máxima caída de tensión= Vmp * 0.03= 18.12*2 (en serie)= 36.24V= 0,03 * 36.24V= 1.08V C= 47 (conductividad del cobre a 70°C) o 35 (conductividad del aluminio a 70°C).
S= 2 * L * I = 2 * 10 * 20.6 = ∆V * C 1.08 * 47
412 = 8.11 mm2 50.76
Criterio 1: El rango más cercano es de 10mm2. Para el tramo paneles- regulador (conductor aislado de tubos superficial), la tabla de conductores de cobre B/PVC3, arroja 44 A de circulación máxima para un cable de 10mm2. Criterio 2: Para el tramo paneles- regulador (conductor aislado de tubos superficial), la tabla de conductores de cobre B/PVC3, arroja una corriente de 20 A para un cable de 4 mm2. Se selecciona el cable de 10mm2.
Cableado. TRAMO DE CONEXIÓN REGULADOR - BATERIA (5 metros)
Is = Fs * (PCA / ninv) = 1,25 * (1518 / 0,95) = 83A Vs 24
Criterio 1: Para el tramo regulador – batería (conductor aislado de tubos superficial), la tabla de conductores de cobre B/PVC2, arroja 84 A de circulación máxima para un cable de 25mm2.
Cableado TRAMO DE CONEXIÓN BATERIA - INVERSOR (5 metros) Para el cálculo del flujo de intensidad que circula por la entrada del inversor, dependerá de la potencia (P) máxima (que entregará a las cargas que alimentará) y de su rendimiento (ninv= 0,96). DATOS ICA= intensidad de salida del inversor (CA) P= Potencia máxima (W) que entrega el inversor (en nuestro ejemplo: 1518W) V= Tensión elegida (según el país y el sistema), coincidente con la del inversor (en nuestro caso 230V) Fp= Factor de potencia 1 (según normas IDAE)
Cableado Salida del inversor ICA = 1.5*P = 1.5*1518 = 6,6 A V * Fp 230V * 1
Entrada del inversor ICC = ICA = 6,6 = 6,88 A ninv 0,96
Criterio 1 S= 2 * L * I = 2 * 5 * 6,88 = 68.8 = 4.06 = 6 mm2 ∆V * C 0.36 * 47 16.92 Criterio 2 S= 1.5*Pinv/(Vcc* ninv) = 1.5*1518/24*0,96 = 98.82A
Criterio 1: El rango más cercano es de 6 mm2. Para el tramo batería – inversor (conductor aislado de tubos superficial), la tabla de conductores de cobre B/PVC2, arroja 36 A de circulación máxima para un cable de 6 mm2. Criterio 2: Para el tramo batería – inversor (conductor aislado de tubos superficial), la tabla de conductores de cobre B/PVC2, arroja 104 A de circulación máxima para un cable de 35 mm2, muchos fabricantes de reguladores aconsejan directamente 50mm2
Cálculos en cables de alimentación en CA TRAMO DE CONEXIÓN INVERSOR – TABLERO CA (17 metros) Pw= 1518 W L= 17m ∆V= 0,03*230V= 6.9V C= 47m/ Ω*mm2 (Conductividad del cobre a 70°C)
S = 2 * Pw * L = 2 * 2277 * 17 = 0.69= 1,5mm2 ∆V * C * V 6.9 * 47 * 230 S = Pw/(Fp*V) = 1.5*1518/(0.9*230) = 11 A Criterio 1 Según la carga del sistema CA da como resultado un cable de 1,5 mm2. Criterio 2 Un cable con sección 1.5 mm2 alcanzaría.
Protecciones Cableado neutro y tierra Para la protección y la seguridad propia y de la instalación, se deberá agregar un cable de protección que conectará los soportes metálicos del panel fotovoltaico y otros puntos previsto por los fabricantes (de los componentes del sistema fotovoltaico) a tierra. De esta manera un caso de descargas por fallas o por incidencia atmosférica, las descargas que puedan ocurrir se derivarían directamente hacia la tierra.
Tabla de conductores neutro S FASE = S NEUTRO
Protecciones recomendadas
Cálculos de protecciones Para la protección del cableado utilizaremos fusibles en corriente continua (CC), en cambio para la corriente alterna (CA), utilizaremos interruptores electromagnéticos. Para la protección contra las sobre intensidades (sobrecargas) y corto circuitos, se elegirá un fusible tipo gG, que es un limitador de corriente, que es capaz de interrumpir la corriente, desde la asignada In (sobrecarga) hasta su poder de corte máximo (cortocircuito).
In ≤ Ip ≤ 0,9 Iadm In = La intensidad circulante en el tramo Ip = Intensidad del circuito de protección (fusible: elección, calibre) 0,9 = Coeficiente (resultado de la intensidad de funcionamiento efectivo del dispositivo de protección. Iadm = Intensidad admisible del conductor
Protección de cadena De acuerdo a la cantidad de strings o cadenas se conformen en el PFV, el régimen de trabajo será:. • Np ≤ 3 (cadenas o menos), el régimen del cable se dimensiona: • Isc_cadenas = 1,56 * Isc • Np ≥ 4 (cadenas o más), El régimen del cable sería: Isc_cadenas = (Np - 1) * 1,25*Isc Cuando tres o más cadenas se conectan en paralelo, un fusible en cada cadena protegerá a los módulos y a los cables. Si una cadena falla, esta se aislará en forma automática (aislándola) y permitirá seguir trabajando, aunque con menos potencia. • Con Np ≤ 3 , no es necesario proteger el sistema de paneles fotovoltaicos. • Con Np ≥ 4 cadenas o más, se debe proteger cada cadena.
Protección de las cadenas Datos Isc= 5,89 A Voc= 22,7 V Ns= 2 Np= 3 Régimen del cable= 1,56 * 5,89 = 9,19 A Cable seleccionado 2,5mm2, siendo Iadm según la tabla = 11,5A
En el caso que nos ocupa, tenemos Np = 3. In ≤ Ip ≤ 0,9 Iadm In = 5.89 A Iadm= 11,5 A 0,9*Iadm = 10,35 A Ip = 10 A
Cálculos de protecciones Tramo
In
mm2 cable
Iadm cable
0,9 * Iadm
Iprotección
Tipo de protección
Para las cadenas
9.19 A
2.5mm2
11.5 A
0.9 * 11.5 = 10.35
10A
De los paneles al Regulador
20.6 A
10mm2
44 A
0,9 * 44 = 39,6A
40A
Fusilera con cartucho gPV en CC Termomagnética en CC
Del regulador al acumulador
83 A
25mm2
84 A
0,9 * 84 = 75.6A
80A
Termomagnética en CC
Del acumulador al inversor
94.7 A
35mm2
104 A
0,9 * 104 = 93,6A
100A
Fusibles ultrarápidos NH en CC para fase y neutro.
Del inversor al tablero de CA
11 A
4 mm2
27 A
0.9 * 27 = 24 A
20A
Termomagnética en CA
Fusibles de protección para cadena de paneles
Fusible de protección para el circuito batería - inversor
Ventajas: mejor respuesta ante corrientes de sobrecarga, más económicos, evita la formación del arco eléctrico en lugares inflamables o críticos (IP elevado). Desventajas: la necesidad de tener fusibles de repuestos, rearme más lento, respuesta más lenta ante corriente de cortocircuito.
Interruptores termomagnéticos Poseen dos protecciones, la térmica y la magnética. La primera es en función del tiempo y actúa cuando la corriente que pasa por los terminales es mayor a a la corriente nominal del interruptor. La protección mágnetica es instantánea (0.1s) y actúa de acuerdo a la curva de disparo del interruptor. • Corriente asignada In (A): 2 – 100A • Tensión nominal: 48V/110V/220V-380V • Tipos: CC y CA • Poder de corte: 6 kA/10kA/15kA según norma IEC/EN 60898 • Curva de disparo: A, B, C, D • Grado de Protección IP 20: cuerpos solidos mayores a 12mm
Los interruptores en caja moldeada tiene la misma función que los Riel DIN con la diferencia que protegen para corriente nominales mayores. Usualmente suele colocarse a para proteger el banco de baterías e interrumpir el circuito a la hora de llevar a cabo el mantenimiento • Corriente asignada In (A): 125– 1500A • Tensión nominal: 48V/110V/220V-380V • Tipos: CC y CA • Poder de corte: 15kA en adelante • Curva de disparo: N, S, H, L, V • Grado de Protección IP 20: cuerpos solidos mayores a 12mm
Descargadores de sobretensión La protección contra descargas atmosféricas debe estar ubicada físicamente en la caja de conexiones antes del medio de desconexión del circuito de salida fotovoltaica Si la distancia entre la caja de desconexión y el inversor es mayor a 10 metros se debe colocar un dispositivo de protección contra descargas atmosféricas a la entrada del inversor. En caso de que el inversor tenga integrado el dispositivo ya no es necesario. Si la distancia entre la salida del inversor y el tablero de cargas es mayor que 10 m se debe colocar un dispositivo de protección contra descargas atmosféricas a la entrada del tablero de distribución (norma NOM-001-SEDE).
Sistemas de puesta a tierra Conjunto de elementos conductores de un sistema eléctrico, sin interrupciones ni fusibles, que unen los equipos eléctricos con el suelo o terreno. El propósito es brindar una trayectoria directa para la descarga de los impactos de rayo y choques eléctricos de las personas. Las partes de un SPAT: • El electrodo de tierra (jabalina de cobre) • Conectores • Conductores de protección (verde/amarillo) Configuraciones de los SPAT: • Electrodos verticales • Electrodos horizontales o planchas • Electrodos compuestos • Mallas La resistencia de aterramiento es la suma de las siguientes resistencias: 1. La resistencia de los electrodos y/o mayas (despreciable) 2. La resistencia entre estos elementos y la tierra (despreciable) 3. La resistencia del terreno (se mide de 1.8m a 3.5m)
Método gráfico para la selección del número de electrodos •
En la figura de abajo representa un sistema de electrodos verticales en paralelo, cada cual con una resistencia de tierra de 100 Ω en función del número de electrodos y de la distancias entre estas. Obs.: Es normal retirar tierra y mezclar la misma con substancias químicas en torno al electrodo de forma a reducir la resistencia del suelo. Hay productos que permiten reducir la resistencia de puesta a tierra en más del 90%. El procedimiento normal debe incluir: 1. Hacer excavaciones 2. Enterrar electrodos 3. Aplicar el producto 4. Hidratar 5. Medir resistencia obtenida La aplicación mínima es de una dosis por cada electrodo o por cada 7 metros de cable enterrado.
Dimensionamiento de cables de protección a tierra Los conductores de puesta a tierra deben ser de cobre de un solo tramo continuo, sin empalmes ni uniones. Si el conductor de puesta a tierra esta forrado, el color del forro de aislamiento debe ser verde, o verde con franjas amarillas. En circuitos de corriente continua, el calibre del conductor de puesta a tierra no debe ser inferior al calibre del conductor que tiene la mayor capacidad de conducción (cable más grueso) según se establecen la norma brasileña para sistemas fotovoltaicos. Abajo la sección mínima de los conductores de protección.
FIN