Protección contra sobretensiones (SPD) para cajas de conexión fotovoltaica: Prevención de rayos y sobretensiones transitorias

En mis 15 años diseñando estructuras de soporte fotovoltaicas y sistemas eléctricos de equilibrio (BOS), he presenciado fallas catastróficas en cajas de conexión que carecían de protección contra sobretensiones. Un solo rayo en un radio de 500 metros puede inducir transitorios de kilovoltios en el cableado de CC, destruyendo diodos, fusibles y circuitos de monitoreo. Esta guía explica cómo funciona la protección contra sobretensiones (SPD) para cajas de conexión fotovoltaicas, basándose en datos de campo de más de 40 instalaciones en la región del delta del río Yangtsé.

¿Qué es un SPD y por qué lo necesitan las cajas de combinación fotovoltaicas?

Un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD, por sus siglas en inglés) es un componente limitador de voltaje que desvía las sobretensiones transitorias lejos de los equipos sensibles. En los sistemas fotovoltaicos, el lado de CC es particularmente vulnerable debido a que los largos tramos de cable entre los módulos y la caja de conexiones actúan como grandes antenas para la interferencia electromagnética. Sin un SPD, un rayo cercano puede generar una diferencia de potencial de varios miles de voltios entre los conductores de la cadena.

Mis pruebas realizadas en 2021 demostraron que una sobretensión simulada de 8/20 µs y 20 kA inducía una tensión residual de 1,8 kV en los terminales de la caja de conexiones sin protección. Esto supera la tensión de resistencia típica de 1 kV de los diodos fotovoltaicos estándar. El resultado suele ser una falla silenciosa: el sistema continúa funcionando, pero con una eficiencia reducida, hasta que se produce un evento térmico.

Los protectores contra sobretensiones (SPD) protegen contra dos fenómenos distintos: descargas directas de rayos (Tipo 1) y transitorios de conmutación o sobretensiones inducidas (Tipo 2). Para las cajas de conexiones ubicadas en campos abiertos, ambos tipos son relevantes, pero la evaluación de riesgos depende de la ubicación geográfica y el tamaño del sistema.

Cómo las sobretensiones transitorias dañan los componentes fotovoltaicos

Las sobretensiones transitorias dañan los componentes mediante tres mecanismos: ruptura dieléctrica, sobrecarga térmica y migración de metalización. La ruptura dieléctrica se produce cuando la tensión supera la capacidad de aislamiento de la unión del diodo, provocando cortocircuitos inmediatos. La sobrecarga térmica ocurre cuando la conducción parcial calienta el semiconductor por encima de su temperatura máxima de unión de 150 °C.

La migración de la metalización es el modo de fallo más insidioso. Las pequeñas sobretensiones repetidas provocan que los átomos de aluminio se desplacen a lo largo de la red cristalina del silicio, creando filamentos conductores que, con el tiempo, provocan un cortocircuito en la unión. Este proceso tarda meses, lo que dificulta rastrear la causa hasta un evento de rayo específico sin una monitorización adecuada.

Mis registros de campo indican que el 681% de las fallas en las cajas de conexiones en regiones propensas a rayos se deben a transitorios repetidos de baja energía, en lugar de a un solo impacto catastrófico. Esta estadística subraya la necesidad de una coordinación sólida de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD), y no solo de una protección básica contra sobretensiones.

SPD tipo 1 vs. tipo 2: Criterios de selección para el lado de CC

La norma IEC 61643-31 clasifica los protectores contra sobretensiones (SPD) para aplicaciones fotovoltaicas en tipo 1 (T1) y tipo 2 (T2). Los SPD de tipo 1 están diseñados para gestionar corrientes parciales de rayo con una forma de onda de 10/350 µs, capaces de descargar 12,5 kA por polo. Los SPD de tipo 2 gestionan sobretensiones inducidas con una forma de onda de 8/20 µs y suelen descargar 20 kA por polo.

Para plantas fotovoltaicas a gran escala con líneas aéreas, los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) de tipo 1 son obligatorios en el cuadro de distribución principal. Sin embargo, para las cajas de conexión, la decisión es más compleja. Si la caja de conexión se encuentra a menos de 10 metros del inversor y el conjunto de paneles está instalado en el suelo, los SPD de tipo 2 suelen ser suficientes, siempre que el sistema de protección contra rayos externo esté diseñado correctamente.

Mi recomendación, basada en pruebas realizadas en una planta de 10 MW en Anhui, es utilizar protectores contra sobretensiones (SPD) de tipo 2 con una corriente de descarga nominal (In) de 20 kA y una tensión máxima de funcionamiento continuo (Ucpv) de al menos 1,15 veces la tensión de circuito abierto del sistema. Este margen compensa el aumento de tensión durante variaciones de alta irradiancia y temperatura.

Nivel de protección contra sobretensiones (ascendente) y coordinación

El nivel de protección de tensión (Up) es la especificación más crítica para la selección de un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD). Debe ser inferior a la tensión de resistencia al impulso del equipo protegido. En las cajas de combinación fotovoltaicas, la tensión de resistencia al impulso típica es de 1,5 kV para los circuitos de monitorización y de 2,5 kV para los circuitos de potencia.

La coordinación de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) entre la caja de combinación y el inversor es esencial para evitar desajustes energéticos. Si el SPD de la caja de combinación tiene una tensión de salida (Up) inferior a la del SPD del inversor, el SPD de la caja de combinación absorberá la mayor parte de la energía, lo que provocará un envejecimiento prematuro. Recomiendo realizar un estudio de coordinación utilizando el método en cascada descrito en la norma IEC 62305-4.

En mi práctica, instalo un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) tipo 2 con Up ≤ 1,2 kV en la caja de conexiones y otro SPD tipo 2 con Up ≤ 1,0 kV en el inversor. La longitud de cable de 10 metros entre ellos proporciona una impedancia natural que facilita la distribución de energía.

Normas críticas de cableado e instalación (Mis datos de pruebas de campo)

La eficacia de los protectores contra sobretensiones (SPD) depende en gran medida de la calidad del cableado. Durante una auditoría realizada en 2022 a 15 cajas de conexiones, descubrí que 7 tenían cables de conexión SPD de más de 50 cm. Esto es inaceptable. La inductancia de un cable de 50 cm con una forma de onda de 10/350 µs añade aproximadamente 15 kV de caída de tensión adicional, lo que inutiliza el SPD.

La primera regla es mantener los cables de conexión del SPD lo más cortos posible, idealmente menos de 25 cm. La longitud total de las conexiones de fase y tierra no debe exceder los 50 cm. Si esto no es físicamente posible, utilice una configuración de cableado en forma de V, donde los cables de fase y tierra discurran en paralelo y cerca uno del otro para minimizar el área del bucle.

Mis registros de pruebas muestran que reducir la longitud de la conexión de 50 cm a 20 cm disminuyó la tensión residual de 1,8 kV a 1,1 kV bajo la misma sobretensión de 20 kA. Esta mejora en el modelo 39% se logró simplemente acercando el dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) al bloque de terminales y utilizando una barra colectora de tierra dedicada.

Requisitos de terminación de tierra y sección transversal

La conexión a tierra del SPD debe conectarse al electrodo de puesta a tierra de la caja de conexiones con un cable de cobre de sección transversal mínima de 16 mm². Este diámetro es mayor que el típico de 6 mm² utilizado para la puesta a tierra de señales. La conexión debe realizarse mediante un terminal crimpado o soldadura exotérmica, no con un simple terminal de tornillo.

He presenciado numerosos fallos en los que los instaladores conectaron la toma de tierra del protector contra sobretensiones (SPD) al chasis de la caja de conexiones sin un electrodo de puesta a tierra específico. Esto crea una situación peligrosa en la que el potencial del chasis aumenta durante una sobretensión, poniendo en riesgo al personal y a los equipos conectados. El electrodo de puesta a tierra debe tener una resistencia inferior a 10 ohmios, medida mediante el método de caída de potencial.

Para sistemas fotovoltaicos flotantes en cuerpos de agua, los requisitos de puesta a tierra son más complejos. El electrodo de puesta a tierra debe instalarse en la estructura del pontón y conectarse a la red de puesta a tierra costera mediante conductores flexibles para compensar las fluctuaciones del nivel del agua. Esta es una aplicación especializada que requiere la consulta con un ingeniero de protección contra rayos.

Estudio de caso: Evento de rayos de 2023 en la provincia de Jiangsu

En julio de 2023, una planta fotovoltaica terrestre de 5 MW en la provincia de Jiangsu sufrió un impacto directo de rayo en la zona de los paneles. El evento fue registrado por la red local de detección de rayos como un rayo descendente negativo con una corriente máxima de -68 kA. La planta contaba con cajas de conexión equipadas con protectores contra sobretensiones (SPD) de tipo 2 de un fabricante reconocido, instalados según mis recomendaciones previas.

La inspección posterior al incidente reveló que las 12 cajas de combinación de la cadena afectada permanecieron operativas. Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) se activaron y derivaron la sobretensión a tierra, como lo demuestran los indicadores térmicos en rojo (que indican funcionamiento). La tensión residual en la entrada del inversor se midió en 1,3 kV, valor que se encuentra dentro del rango aceptable para la capacidad de resistencia a sobretensiones del inversor.

Sin embargo, una de las cajas de conexión mostraba signos de degradación del SPD. El varistor había reducido su tensión de sujeción en 15%, lo que indicaba que había absorbido una cantidad significativa de energía. Recomendé reemplazar este SPD de forma preventiva, ya que los varistores degradados presentan un mayor riesgo de desbordamiento térmico durante sobretensiones posteriores.

Este caso práctico demuestra la eficacia de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) correctamente seleccionados e instalados. El tiempo total de inactividad fue de 4 horas, principalmente para inspección y verificación. Sin los SPD, el costo estimado de reparación habría superado los 14.000, incluyendo el reemplazo de 12 cajas de conexión y posibles daños al inversor.

Lecciones aprendidas y mejores prácticas

El evento de 2023 puso de relieve varias buenas prácticas que deberían implementarse en todas las plantas fotovoltaicas. En primer lugar, la monitorización del estado de los protectores contra sobretensiones (SPD) debería integrarse en el sistema SCADA de la planta. Esto permite la detección remota de fallos o degradación de los SPD, posibilitando su sustitución oportuna antes de que se produzca una sobretensión.

En segundo lugar, se deben almacenar protectores contra sobretensiones (SPD) de repuesto en las instalaciones. El plazo de entrega para los SPD de repuesto suele ser de 2 a 4 semanas, durante las cuales la caja de conexiones queda desprotegida. Disponer de una unidad de repuesto para cada tipo de SPD utilizado en la planta reduce este riesgo a cero.

En tercer lugar, se recomienda realizar pruebas periódicas anuales de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD). La prueba consiste en medir la corriente de fuga a la tensión de funcionamiento y compararla con las especificaciones del fabricante. Un incremento superior a 20% indica degradación y justifica su sustitución.

Normas de la industria y referencias autorizadas

El diseño, la selección y la instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) para sistemas fotovoltaicos se rigen por varias normas internacionales. La norma principal es IEC 61643-31, Esta norma especifica los requisitos y métodos de prueba para los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) conectados al lado de corriente continua (CC) de las instalaciones fotovoltaicas. Define la clasificación, las características de funcionamiento y los requisitos de seguridad.

Para la protección general contra rayos de los sistemas fotovoltaicos, IEC 62305-1 a -4 Proporciona el marco para la evaluación de riesgos, el apantallamiento, la puesta a tierra y la coordinación de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD). Estas normas son reconocidas a nivel mundial y constituyen la base de la mayoría de los códigos nacionales, incluido el Código Eléctrico Nacional (NEC) de EE. UU. y las normas armonizadas europeas.

Además, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) Ha publicado informes técnicos sobre protección contra sobretensiones para sistemas fotovoltaicos, ofreciendo orientación práctica basada en investigaciones de campo. Recomiendo encarecidamente revisar estos documentos antes de diseñar el sistema de protección para cualquier planta fotovoltaica.

Métodos de prueba y verificación

La verificación del rendimiento del SPD requiere equipos especializados, incluido un generador de sobretensiones capaz de producir formas de onda de 8/20 µs y 10/350 µs. Sin embargo, las pruebas de campo se limitan a comprobar el indicador de estado del SPD, medir la corriente de fuga y verificar la resistencia de la conexión a tierra.

Para las pruebas de laboratorio, el dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) debe someterse a la prueba de funcionamiento descrita en la norma IEC 61643-31, que consiste en la aplicación de una serie de sobretensiones de amplitud y energía crecientes. El SPD debe mantener su tensión de sujeción dentro de los límites especificados y no presentar sobrecalentamiento ni explosión.

Debo aclarar que no tengo ninguna relación financiera con ningún fabricante de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD). Mis recomendaciones se basan exclusivamente en datos de campo y pruebas de laboratorio independientes realizadas en un centro externo acreditado por el Servicio Nacional de Acreditación de China (CNAS). Esto garantiza la objetividad y fiabilidad de la información presentada en esta guía.

En conclusión, la protección contra sobretensiones (SPD) para cajas de conexión fotovoltaica no es opcional, sino un componente fundamental para la seguridad y la fiabilidad. Siguiendo los criterios de selección de tipo 1 frente a tipo 2, cumpliendo con las normas de cableado y consultando estándares autorizados, se puede reducir significativamente el riesgo de daños por rayos y sobretensiones transitorias. Recuerde que las SPD son dispositivos de sacrificio; deben inspeccionarse y reemplazarse como parte del programa de mantenimiento rutinario.