Protección contra rayos y sobretensiones en sistemas fotovoltaicos

El acelerado incremento de la generación de electricidad mediante sistemas fotovoltaicos debe traer consigo un conjunto de medidas de seguridad para los equipos eléctricos. Esto con el fin de salvaguardar la inversión de las instalaciones y protegerlas contra sobretensiones y descargas atmosféricas, principalmente

Texto e imágenes por José Ordoñez

Los sistemas de generación de energía renovables son uno de los retos tecnológicos de la actualidad. Existen muchas razones que han postergado su implantación, como el dominio de la industria del petróleo.

Estadísticas de las causas de daños en sistemas fotovoltaicos (frecuencia)

Sin embargo, un nuevo desafío se abre ante nosotros y es la instauración de las energías solar, eólica, geotérmica y biomasa. Todas ellas están basadas en el aprovechamiento de recursos renovables que no dañan al medioambiente ni a los seres humanos, en contraste con los combustibles de origen fósil, como el carbón, petróleo y gas (fuentes no renovables), además de la energía nuclear.

Debido a las grandes superficies que abarca un sistema de generación fotovoltaico para ser instalado, éste se encuentra amenazado por el impacto de descargas atmosféricas durante las tormentas. Si llegara a ocurrir un evento de este tipo, los efectos que podría sufrir la instalación son:

  • Sobretensiones ocasionadas por el impacto directo de un rayo que pueden dañar los módulos fotovoltaicos y los inversores, provocando serias consecuencias para la operación del sistema
  • Sobretensiones inducidas por el impacto de algún rayo o descarga atmosférica en el terreno, incluso en zonas alejadas de la instalación
  • Sobretensiones producto de la conmutación en el lado de Corriente Alterna (CA) de la instalación

Estas variantes ocasionan fallas con elevados costos de reparación (como la sustitución de los inversores), así como afectaciones en el rendimiento del sistema. Lo anterior debido a que muchas zonas quedan fuera de servicio a causa del impacto. Ambas razones se traducen en una merma en los beneficios que implica tener una instalación fotovoltaica.

Protección contra rayos
Cuando se analiza el requerimiento para la protección de una instalación de esta clase, es necesario distinguir si se trata de un sistema solar fotovoltaico (PV) que está en operación en alguna edificación, o bien, de un parque de generación de energía solar.

Esta división resulta fundamental, ya que cuando se habla de edificios se debe procurar que la instalación no incremente el riesgo de una descarga de rayo, de tal forma que la exigencia de medidas de protección no puede derivarse directamente de la existencia de una instalación fotovoltaica.

No obstante, el cableado de las líneas del sistema PV que viaja por el interior de la edificación puede quedar afectado por perturbaciones electromagnéticas provenientes de la corriente de un rayo.

Es frecuente cuestionar si la solución es igual para un sistema colocado en una azotea a uno instalado en un parque fotovoltaico. De esta circunstancia, a su vez, se derivan las siguientes preguntas:

  1. ¿El tratamiento de protección externa (pararrayos) será igual para un sistema PV en azotea a diferencia de un parque fotovoltaico?
  2. ¿Tiene alguna influencia la extensión de la instalación?
  3. ¿La solución de puesta a tierra es la misma?
  4. ¿Es aplicable el concepto de unión equipotencial en los sistemas de puesta a tierra en instalaciones fotovoltaicas?
  5. ¿Qué se entiende por protección interna en sistemas fotovoltaicos?
  6. ¿Qué partes son sensibles a una sobretensión transitoria?
  7. ¿Es aplicable el concepto de protección coordinada energéticamente y cómo se utiliza en sistemas fotovoltaicos?

Para ofrecer una respuesta adecuada a estos cuestionamientos es necesario definir, a su vez, los siguientes puntos:

  1. La protección externa de pararrayos en las azoteas con sistemas PV puede o no ser necesaria, por lo que dependerá de un análisis de riesgo. No obstante, por su extensión, en parques fotovoltaicos es una necesidad de protección que garantiza la continuidad en la generación y el servicio
  2. El uso del sistema de tierras es un requerimiento obligatorio
  3. Lograr un plano equipotencial es la razón de éxito en el diseño de la red de tierras y, por ende, en la correcta operación del sistema
  4. La integración del soporte de la estructura de los paneles a la red de tierras es en extremo ventajosa
  5. La protección interna es obligatoria tanto en azoteas como en parques fotovoltaicos, pues los equipos con mayor sensibilidad son los inversores. Éstos deben ser protegidos coordinadamente, tanto por el lado de Corriente Alterna como en el de Corriente Continua

En este sentido, la protección coordinada energéticamente se basa en controlar la clase de los supresores a instalar, dependiendo de las zonas de protección a realizar cortes energéticos con supresores clase 1, 2, 3 (categoría A, B, C), como se define en las normas IEC 62305-4 y NMX-J-549-ANCE-2005, respectivamente.

Figura 1

Cabe señalar que la protección interna en sistemas fotovoltaicos no sólo se encarga de la protección de la red de energía, sino también resguarda los puertos de comunicación que cada día son más frecuentes, a fin de garantizar el servicio y la operación del sistema.

Por estas razones, el diseño de sistemas de puesta a tierra debe asegurar, de forma sencilla, que se pueda cumplir con los requerimientos de la IEC 62305-3. Esta norma recomienda el ejecutar cuadrículas desde 20×20 hasta 40×40 metros. Lo anterior cumple con el requerimiento de una baja impedancia, especificada para este tipo de instalación.

Figura 2

De forma general, el diseño de la red de tierra será preferentemente del tipo B, según la IEC 62305. Éste consta de un electrodo horizontal en forma de anillo alrededor de la estructura, con electrodos verticales hincados en la periferia, como elemento de testigo de medición y supervisión de dicho sistema.

Por otra parte, para la protección de la instalación fotovoltaica contra el rayo y las sobretensiones es obligatorio conectar toda estructura metálica al sistema de tierra, así como garantizar todas las estructuras metálicas adyacentes entre sí, de forma que dicha interconexión sea mallada y no radial.

Figura 3

Actualmente, uno de los temas más complicados en las instalaciones existentes es relacionado con el material de cobre en los sistemas de puesta a tierra, sin mencionar el problema del vandalismo. Las normas internacionales y nacionales especifican el uso del acero como variante de material para el sistema de puesta a tierra que, debido a la extensión de interconexiones malladas, aseguran el tiempo de vida y la llamada solución antivandálica, la cual es indispensable para garantizar la correcta operación de los sistemas.

Una muestra de dichas instalaciones son las de perfil redondo de acero galvanizado y acero galvanizado recubierto en PVC, como se aprecia en las figuras 1 y 2.

Por su extensión, la protección externa de pararrayos en parques fotovoltaicos es una necesidad fundamental para garantizar la continuidad en la generación y servicio

Igualmente, es frecuente el uso de la propia estructura como portadora del elemento captador (punta de pararrayos), pues al ser un material de aluminio, además de ligero, garantiza la conducción de la descarga al sistema de puesta a tierra conjuntamente con la estructura de soporte. Esto se muestra en la figura 3.

También es habitual el impacto directo del rayo en las celdas fotovoltaicas, debido a la gran extensión de la instalación. De ahí que la propuesta de ubicar las puntas en la propia estructura sea en extremo ventajoso, previamente evaluada por el método de diseño de la esfera rodante.

Entonces, cabe la siguiente pregunta: ¿cuáles son los efectos de un impacto directo en la terminal aérea? Puede haber dos  respuestas:

  1. La corriente fluye en todas las posibles trayectorias que encuentra en su camino. Según los modelos matemáticos para un campo fotovoltaico, el valor de la corriente que baja por el pilar donde se encuentra ubicada la terminal aérea al sistema de puesta a tierra es de 95 por ciento
  2. La sobretensión en el sistema de puesta a tierra se elevará y generará diferencias de potencial con todo conductor de cobre que alimente o transmita señales entre los componentes del sistema. Esta es la razón de la obligatoriedad de protección interna por medio de supresores de sobretensión transitorias

Referencias normativas

En muchas ocasiones, resulta sumamente complicado que los inversionistas y desarrolladores comprendan que el concepto de protección integral es la base de la calidad del servicio y de la operación de un sistema fotovoltaico.

La no evaluación de la relación costo beneficio, que más allá de un gasto, protegen un sistema con tan alto precio como el fotovoltaico, que desde su instalación inicial se convierte en una verdadera inversión. De igual forma, la inversión del parque y la protección se amortiza en un plazo bastante corto.

Aspectos a considerar en un diseño de protección contra descargas atmosféricas basado en la NMX-J-549-ANCE-2005

Por todo esto, debe concluirse que:

  • La obligatoriedad del sistema de puesta a tierra en la protección fotovoltaica es un requerimiento de instalación para su posible operación
  • La protección externa (puntas de pararrayos) debe someterse al análisis de riesgo cuando esté ubicada en edificaciones; sin embargo, en parques fotovoltaicos se trata de una obligatoriedad, debido a la extensión del área que se desea abarcar
  • Las normas nacionales e internaciones recomiendan y regulan el diseño de sistemas de tierra mallados, con retículas que garanticen una baja impedancia del sistema de puesta a tierra

Finalmente, es importante lograr que los niveles de sobretensión inducidos entre los elementos directamente aterrizados, como las estructuras y cableados de energía y comunicaciones, sean debidamente controlados con un adecuado sistema de puesta tierra y supresores de sobretensión.

 

José Ordoñez

Es egresado de Ingeniería Eléctrica y cuenta con un Máster en Ciencias por el Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría ISPJAE de La Habana, Cuba. Trabaja en temas de protección contra descargas eléctricas y sobretensiones. Ha dictado clases en distintas instituciones