Por qué un dispositivo de protección contra sobretensiones debe cumplir con los requisitos tanto de la Clase I como de la Clase II?

A una milla de distancia, un rayo cae al suelo. No es un impacto directo. No hay daños visibles. Sin embargo, en el interior de la caja combinadora solar, un pico de tensión recorre a toda velocidad los cables de corriente continua procedentes de los paneles. La sobretensión atraviesa las barras colectoras en dirección al inversor. En los terminales de entrada, un pequeño dispositivo limita la tensión. La corriente de sobretensión se desvía a tierra. El inversor sigue funcionando. Las luces del edificio ni siquiera parpadean. Los equipos protegidos ni siquiera se percataron de que existía una amenaza.

Esa es la función de un dispositivo de protección contra sobretensiones  Un protector contra sobretensiones de CC de Clase I+II está diseñado específicamente para sistemas fotovoltaicos con tensiones de cadena de hasta 1500 V CC. La serie EKU5-T1+T2-40PV de ETEK es un protector combinado de Tipo 1+2, clasificado para una tensión de funcionamiento continua máxima (Ucpv) de 500 V, 1000 V o 1500 V, con una corriente de descarga máxima (Imax) de 40 kA (8/20 µs) y una corriente de impulso (Iimp) de 6,25 kA (10/350 µs). El dispositivo cuenta con la certificación IEC/EN 61643-31, la norma internacional para la protección contra sobretensiones de corriente continua en sistemas fotovoltaicos. Este artículo explica en qué se diferencia un SPD de clase I+II de un dispositivo estándar de clase II, cómo la capacidad nominal de 40 kA se traduce en una protección real para una cadena de 1500 V y por qué el diseño enchufable es importante cuando un cartucho llega al final de su vida útil. 

Tipo 1+2: por qué un solo dispositivo sustituye a un esquema de protección en dos etapas

Un sistema fotovoltaico está expuesto a dos tipos diferentes de sobretensiones. Un rayo directo o una descarga muy cercana induce una corriente de impulso de alta energía con una forma de onda de 10/350 µs. Un rayo lejano o un transitorio de conmutación procedente de un inversor cercano produce una sobretensión de menor energía con una forma de onda de 8/20 µs. Los esquemas de protección tradicionales utilizan un SPD de Clase I en la entrada de servicio para gestionar los impulsos de alta energía de 10/350 µs, seguido de un SPD de Clase II aguas abajo para gestionar las sobretensiones restantes de 8/20 µs. Los dos dispositivos deben estar separados por una distancia de desacoplamiento o un inductor para garantizar la coordinación.

Un dispositivo de protección contra sobretensiones con clasificación de Tipo 1+2 combina ambas funciones en una única carcasa. El circuito interno utiliza un descarificador de chispa o un tubo de descarga de gas para el impulso de alta energía de 10/350 µs y un varistor de óxido metálico (MOV) para la sobretensión de 8/20 µs. Las dos etapas están integradas, por lo que no se requiere ningún desacoplamiento externo. En el caso de una caja combinadora solar situada en el tejado de un edificio, donde pueden producirse descargas atmosféricas tanto directas como indirectas, un SPD de tipo 1+2 proporciona una protección completa sin necesidad de dispositivos en cascada.

El EKU5-T1+T2-40PV está homologado para una corriente de descarga de impulso (Iimp) de 6,25 kA por polo (10/350 µs) y una corriente de impulso total de 12,5 kA en todos los polos, lo que resulta suficiente para la mayoría de las instalaciones solares a escala industrial. La corriente máxima de descarga (Imax) de 40 kA (8/20 µs) cubre los transitorios de conmutación generados por el inversor y por los rayos que caen a mayor distancia. El dispositivo está disponible en configuración de 3 polos, con modos de protección entre CC+, CC- y PE.

De dónde viene la capacidad nominal de 40 kA: por qué necesitas un SPD de clase I+2

Un dispositivo de protección contra sobretensiones que sea de capacidad insuficiente fallará ante la primera sobretensión importante, dejando el inversor desprotegido. La capacidad nominal de 40 kA Imax significa que el dispositivo puede desviar de forma segura hasta 40 000 amperios de corriente de sobretensión una sola vez. Para un sistema fotovoltaico en una región con actividad de rayos moderada, un SPD de 20 kA puede ser suficiente. Para un parque solar a gran escala en Florida o en el Medio Oeste, donde las tormentas de verano son frecuentes, un SPD de 40 kA ofrece un mayor margen de seguridad.

El dispositivo también está clasificado para una corriente de descarga total (ITotal) de 40 kA (8/20 µs) y 12,5 kA (10/350 µs), lo que se refiere a la corriente de sobretensión combinada en los tres polos. Si un rayo induce 15 kA en la línea de CC+ y 10 kA en la línea de CC-, el SPD desviará ambas corrientes sin superar su capacidad nominal. La carcasa está fabricada en termoplástico con clasificación UL94-V0, por lo que, si un componente interno falla bajo una sobretensión extrema, la carcasa no se incendiará.

La tensión nominal de 1500 V CC es fundamental para los sistemas fotovoltaicos modernos. Las tensiones de cadena más altas reducen las pérdidas en los cables y permiten cadenas más largas entre las cajas combinadoras. Un campo fotovoltaico de 1500 V requiere un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) de CC homologado para esa tensión, y no una unidad de 1000 V que fallaría si la tensión de la cadena superara su valor nominal. El modelo EKU5-T1+T2-40PV está disponible en configuraciones de 500 V, 1000 V y 1500 V, con un nivel de protección contra sobretensiones (Up) de ≤2,0 kV a 500 V, ≤4,0 kV a 1000 V y ≤5,2 kV a 1500 V. A 1500 V CC, la tensión de bloqueo se sitúa muy por debajo del nivel de aislamiento nominal de un inversor típico.

Nivel de protección contra sobretensiones y la norma IEC 61643-31: por qué son importantes los números de la etiqueta 

El nivel de protección contra sobretensiones (Up) es la tensión máxima que aparecerá en los terminales del SPD cuando este desvíe una sobretensión. En el caso del EKU5-T1+T2-40PV, el Up es de 5,2 kV a 1500 V CC. Esa es la tensión que deben soportar los equipos situados aguas abajo: el inversor, los cables y las barras colectoras de la caja combinadora. El nivel de aislamiento de un inversor típico de 1500 V CC es de 5-6 kV. Un valor Up de 5,2 kV se encuentra dentro de ese margen, pero por muy poco. Si el valor Up fuera de 6,5 kV, el inversor podría fallar incluso con el SPD instalado.

La norma IEC 61643‑31 es la especificación internacional para los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC utilizados en sistemas fotovoltaicos. Define las formas de onda de ensayo, el sistema de clasificación (Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 1+2) y los parámetros de rendimiento. Un SPD que lleva la marca IEC 61643‑31 ha sido sometido a ensayos para soportar un número definido de impulsos de sobretensión a su corriente nominal sin fallar. Para un sistema fotovoltaico que deba superar la inspección de puesta en servicio en Europa u otros mercados que adopten las normas IEC, la certificación no es opcional.

El tiempo de respuesta del SPD se especifica en ≤25 ns. Esto es lo suficientemente rápido como para proteger los modernos inversores de carburo de silicio (SiC), que tienen frecuencias de conmutación del orden de las decenas de kHz y son sensibles a los picos de tensión. Un SPD más lento permitiría que el flanco ascendente de la sobretensión pasara antes de que se activara la limitación, lo que podría dañar los condensadores de entrada del inversor.

Cartuchos extraíbles e indicación visual: por qué el mantenimiento es una tarea de 30 segundos 

Un dispositivo de protección contra sobretensiones se desgasta con el tiempo. Cada vez que desvía una sobretensión, el MOV se degrada ligeramente. Tras cientos de pequeños transitorios o un gran rayo, el dispositivo acabará fallando. Un SPD averiado debe sustituirse. En un dispositivo cableado, esto requiere desenergizar el cuadro, desconectar los cables, retirar la unidad antigua, instalar una nueva y volver a conectarlo todo. Se trata de una tarea de mantenimiento que lleva entre 30 y 60 minutos y requiere un electricista cualificado.

El EKU5‑T1+T2‑40PV utiliza un diseño de cartuchos enchufables. La base permanece conectada a la caja combinadora. Los módulos de protección se enchufan en la base y se sujetan mediante clips de retención. Cuando un cartucho falla —lo que se indica mediante una ventana mecánica que cambia de verde a rojo—, el técnico lo extrae e inserta uno nuevo. El panel permanece bajo tensión y la sustitución lleva menos de dos minutos. El diseño enchufable también simplifica la instalación inicial; la base se puede montar y cablear, y los cartuchos se insertan en último lugar, lo que reduce la posibilidad de dañar los componentes electrónicos durante el cableado del panel.

Se puede conectar un contacto de señalización remota opcional a un PLC o a un sistema SCADA. Cuando un cartucho falla, el sistema genera una alarma y se envía al equipo de mantenimiento con un módulo de recambio. En el caso de una planta solar a gran escala con cientos de cajas combinadoras, esa alerta remota ahorra días de tiempo de inspección.

Dónde instalar el SPD en un sistema fotovoltaico de 1500 V

Un sistema fotovoltaico requiere protección a varios niveles. El EKU5‑T1+T2‑40PV está diseñado para su instalación en la entrada de CC de la caja combinadora y en la entrada de CC del inversor. El fabricante recomienda su instalación en ambos extremos de la línea de alimentación de CC —el lado de los paneles solares y el lado del inversor—, especialmente si el trazado de la línea es externo y largo.

El dispositivo se monta en un carril DIN de 35 mm (EN 60715). La sección transversal del conductor de conexión debe ser de al menos 4 mm² y no superior a 35 mm². El conductor de puesta a tierra debe tener el calibre adecuado para soportar la corriente de sobretensión; se recomienda un conductor de cobre de 6 mm² para la unidad de 40 kA. El SPD tiene un grado de protección IP20, adecuado para su instalación en el interior de una caja combinadora con clasificación NEMA o IP65. El rango de temperatura de funcionamiento es de -40 °C a +80 °C, lo que cubre condiciones extremas en azoteas de climas desérticos e instalaciones en climas fríos.

En el caso de un parque solar a gran escala, el SPD debe instalarse a la salida de cada caja combinadora, antes de que el cable de CC llegue al inversor. Para una instalación comercial en tejado, puede ser suficiente un único SPD en la entrada de CC del inversor, dependiendo de la longitud de la cadena y de la evaluación del riesgo de rayos. La norma IEC 62305 ofrece orientación sobre cómo calcular la frecuencia prevista de impactos de rayos para una instalación determinada.

Cómo encaja el EKU5‑T1+T2‑40PV en una estrategia de protección de sistemas fotovoltaicos

ETEK Solar fabrica el EKU5‑T1+T2‑40PV como parte de una gama de dispositivos de protección contra sobretensiones de CC para sistemas fotovoltaicos. La línea de productos incluye dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) de tipo 1+2 (con capacidades nominales de 40 kA y 12,5 kA) y SPD de tipo 2 para la protección en la parte posterior de la red. El EKU5‑T1+T2‑40PV está diseñado para el lado de corriente continua de parques solares a escala industrial, instalaciones solares en tejados comerciales e instalaciones solares industriales. Cuenta con la certificación según la norma IEC/EN 61643‑31, lleva el marcado CE y está disponible en configuraciones de 500 V, 1000 V y 1500 V. Su diseño enchufable permite sustituir los módulos averiados sin necesidad de herramientas, y los indicadores de estado facilitan la detección visual local de fallos. Se ofrece un contacto de señalización remota opcional para su integración con los sistemas SCADA de la planta.

Un dispositivo de protección contra sobretensiones que combina la protección directa contra rayos y la supresión de transitorios de conmutación en una sola unidad, lo que reduce la complejidad de la instalación, disminuye el inventario de piezas y garantiza que tanto un rayo cercano como un evento de conmutación del inversor sean gestionados por el mismo dispositivo. Para el operador de una planta solar que ha tenido que sustituir demasiadas placas de inversor tras una tormenta de verano, el EKU5‑T1+T2‑40PV ofrece una tensión nominal de 1500 V CC, una capacidad de protección contra sobretensiones de 40 kA y la comodidad de un mantenimiento enchufable que permite que el parque solar siga produciendo energía durante la temporada de tormentas.

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