La expansión acelerada de la generación fotovoltaica en Brasil ha consolidado la energía solar como uno de los pilares de la transición energética, representando aproximadamente el 23,2% de la matriz eléctrica. Sistemas cada vez más potentes, distribuidos y conectados a la red eléctrica han comenzado a integrarse en hogares, industrias, empresas y grandes centrales eléctricas.
Sin embargo, este avance tecnológico también ha traído consigo un desafío crítico: cómo garantizar la seguridad, la continuidad operativa y la durabilidad de estos sistemas ante eventos eléctricos extremos.
Entre los principales riesgos que enfrentan los sistemas fotovoltaicos están las sobretensiones eléctricas, frecuentemente asociadas a la caída de rayos, las conmutaciones de la red y las interferencias electromagnéticas.
Según el INPE (Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales), Brasil recibe un promedio de 78 millones de rayos al año, lo que lo convierte en un país con un alto nivel de radiación keráunica. Si no se gestionan adecuadamente, estos fenómenos pueden causar fallos prematuros, pérdidas económicas significativas e incluso riesgos para la seguridad de las instalaciones y las personas.
Es en este contexto que la protección contra sobretensiones deja de ser un elemento accesorio para ocupar un papel estratégico en el diseño, la instalación y el mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos. Más que simplemente cumplir con las normas técnicas, se trata de adoptar un enfoque de ingeniería consciente capaz de aumentar la fiabilidad y la robustez de las plantas de energía solar.
O nuevo libro electrónico Fue desarrollado por CLAMPER para presentar, de forma clara y práctica, los conceptos fundamentales, mecanismos de protección, estándares relevantes y mejores prácticas relacionadas con la protección contra sobretensiones en sistemas fotovoltaicos, contribuyendo a decisiones técnicas más seguras y diseños más resilientes.
¿Qué son las sobretensiones eléctricas?
Se esperan variaciones normales de voltaje y corriente durante el funcionamiento de la red. Una sobretensión eléctrica también es una variación de voltaje, pero transitoria, de corta duración y alta energía, generalmente causada por rayos o conmutaciones de red.
Una sobretensión dura apenas microsegundos y puede dañar componentes sensibles como los inversores fotovoltaicos, ya que su electrónica solo soporta pequeños impulsos transitorios. Sin protección externa, puede fallar tras unas pocas sobretensiones.
Las sobretensiones pueden producirse de forma conductiva (a través de cables), inductiva (campos magnéticos), capacitiva (campos eléctricos) o resistiva (diferencia de potencial en el suelo).
¿Dónde se producen las sobretensiones eléctricas en un sistema fotovoltaico?
En un sistema fotovoltaico, la sobretensión encuentra más de un punto de entrada:
- Lado de Corriente Continua: los cables que forman grandes bucles en las conexiones de las cadenas de módulos favorecen la inducción de corriente de alta intensidad, además de largas longitudes de cable entre los módulos y los inversores.
- Lado de corriente alterna: los rayos o las operaciones de conmutación de la red propagan sobretensiones al lado de CA del inversor.
Por ello, tanto las normas nacionales como las internacionales recomiendan el uso de Dispositivos de Protección contra Sobretensiones (SPDs) en sistemas fotovoltaicos, dada su exposición a los distintos componentes del sistema.
¿Cuáles son los tipos de rayos?
Hay dos formas en que un rayo puede impactar un equipo:
- Descargas directas: Estos son los más peligrosos, ya que afectan directamente al sistema, generalmente al módulo fotovoltaico, el componente más expuesto. El módulo afectado presenta señales de quemadura en el marco y las partes superiores, e incluso puede tener cristales rotos.
- Descargas indirectas: Estos impactos son más leves, ya que el rayo impactó en otro lugar y solo indujo corriente en los cables de la cadena. Por otro lado, puede dañar decenas de diodos de derivación a la vez. Esto provoca una pérdida de tensión en el módulo y, en consecuencia, una pérdida de generación. Por lo general, afecta a los módulos conectados en la misma cadena y más próximos entre sí. Esta alta tensión puede alcanzar el inversor y dañarlo también. Además, las descargas indirectas también pueden viajar a través de la red eléctrica y llegar al inversor en el lado de CA.
En ninguno de los casos mencionados, la garantía cubriría los impactos causados, ya que no se trata de un problema de fabricación ni de rendimiento del producto. Solo las pólizas de seguro diseñadas específicamente para este fin podrían compensar los daños causados.
¿Qué es un DPS?
Un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) es un equipo utilizado en instalaciones eléctricas para proteger los equipos contra sobretensiones transitorias, generalmente causadas por rayos, operaciones de conmutación en la red eléctrica o conmutación de cargas inductivas.
El dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) actúa como limitador de tensión, desviando las sobretensiones de alta tensión que podrían dañar equipos sensibles hacia el sistema de puesta a tierra. Esto se logra mediante un varistor, un componente de resistencia no lineal cuya resistencia varía según la tensión aplicada.
¿Cómo funciona un protector contra sobretensiones?
En condiciones normales de funcionamiento, el dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) permanece inactivo, presenta alta impedancia y no interfiere con el circuito.
Cuando se produce un aumento de tensión y el valor supera el nivel de disparo del dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD):
- El dispositivo comienza a conducir, reduciendo la impedancia;
- El exceso de energía se desvía rápidamente hacia el suelo;
- El voltaje en el circuito está limitado a un nivel que es seguro para el equipo;
- Después del aumento, el SPD vuelve a un estado de alta impedancia, bloqueando el flujo de corriente a tierra.
¿Por qué utilizar un protector contra sobretensiones?
Mucha gente se pregunta: "Un rayo no cae dos veces en el mismo lugar, ¿qué probabilidades hay de que caiga en mi central eléctrica?". De hecho, no es muy común que un rayo caiga dos veces en el mismo lugar, a menos que la forma y la altura lo permitan. Sin embargo, incluso si el rayo no cae directamente en su central eléctrica, puede afectarla indirectamente. Por ejemplo:
Un rayo cae sobre un árbol cercano a la central, se detectan señales de quemadura en el árbol, pero no se aprecian defectos visuales en los módulos.
Sin embargo, un rayo cercano induce corriente en los cables de la cadena, dañando los diodos de derivación y provocando que estos módulos pierdan tensión en un tercio cada vez. Además, esta caída repentina de tensión en el lado de CC puede dañar el inversor.
¿Existe un DPS para uso específico en fotovoltaica?
Estos dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) están diseñados específicamente para su uso en sistemas fotovoltaicos y tienen diferencias importantes en comparación con los SPD de corriente alterna (CA) convencionales.
La principal diferencia radica en el comportamiento eléctrico de la corriente continua, que no cruza el cero como sí lo hace la corriente alterna. Por ello, los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) fotovoltaicos utilizan varistores especialmente diseñados para CC, con mayor capacidad para soportar altas tensiones de CC y evitar la conducción permanente.
Además, es común encontrar circuitos internos de desacoplamiento térmico (fusibles o disyuntores) que se desconectan en caso de cortocircuito, reduciendo el riesgo de sobrecalentamiento e incendio.
CLAMPER ha desarrollado un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) específico para sistemas fotovoltaicos en el lado DC, la línea CLAMPER Solar SB, que incorpora seccionadores DC integrados o fusibles en línea en los modelos CLAMPER Solar CB, una carcasa de plástico ignífugo resistente a la intemperie y un indicador visual de estado.
¿Cuánto cuesta no instalar un protector contra sobretensiones?
Un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) representa, en promedio, el 8 % del coste total de un sistema fotovoltaico. Para reducir el coste del sistema, algunos instaladores optan por no añadir protección.
Sin embargo, esto puede ocasionar daños de proporciones mucho mayores, como falla del inversor (10x el valor de protección), interrupción de la generación (varía con el tiempo de inactividad, pero es mucho mayor que el valor de protección), costos de mantenimiento correctivo para reemplazar equipos dañados y pérdida de garantía, ya que algunos fabricantes no aceptan garantía para inversores sin protección o no cubren daños externos como sobretensiones.
Conclusión
Como se explicó anteriormente, los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) son esenciales para proteger los activos de los sistemas fotovoltaicos, y saber cómo elegir los parámetros adecuados de los SPD es crucial para que funcionen correctamente y filtren las tensiones para las que fueron diseñados. El libro electrónico de CLAMPER describe cada uno de estos parámetros, sirviendo como una guía completa para elegir el SPD adecuado.
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