Protección de arco eléctrico en inversores fotovoltaicos

El arco eléctrico es un fenómeno provocado por el paso de corriente eléctrica a través del aire, y se considera un fenómeno temido y no deseado en los sistemas fotovoltaicos.

Durante su aparición se nota un efecto similar a una chispa, con fuerte intensidad lumínica y alta temperatura.

Debido a los altos valores de tensión y a la naturaleza continua de la corriente eléctrica en las cadenas fotovoltaicas, se pueden formar arcos eléctricos con relativa facilidad en conexiones eléctricas deficientes o durante una apertura incorrecta (sin un dispositivo de aislamiento adecuado) de un circuito fotovoltaico bajo carga.

Los arcos eléctricos que surgen cuando desconectamos incorrectamente o cuando hay fallos de aislamiento o malos contactos en cables y conectores pueden provocar un rápido aumento de la temperatura del lugar donde se encuentra el arco, lo que puede provocar que los componentes se fundan o se incendien.

Los arcos eléctricos se pueden clasificar en 3 tipos:

• arcos en paralelo;
• arcos en serie, y;
• arcos al suelo.

Los arcos paralelos ocurren cuando hay un cortocircuito entre el positivo y el negativo del conjunto o dispositivo, generalmente causado por daños en los cables o cables sueltos dentro de la caja de cadenas o alguna parte del circuito.

El arco en serie se produce cuando hay una interrupción brusca de un circuito energizado, como es el caso de la desconexión de pares MC4 bajo carga o cuando hay una conexión eléctrica defectuosa, con mal contacto.

El arco de falla a tierra se produce cuando uno de los cables del circuito se daña y entra en contacto con las carcasas metálicas conectadas a tierra. El Anexo D de la norma NBR 16690 muestra los tres tipos de arcos eléctricos que se pueden encontrar en los circuitos de corriente continua de los sistemas fotovoltaicos.

La siguiente figura ayuda a comprender mejor los conceptos de arco en serie y arco en paralelo dentro de un circuito eléctrico. En la imagen de la izquierda (Figura 3) se puede observar que el arco eléctrico es provocado por una unión entre dos polos diferentes, en este caso provocado por una falla en el aislamiento de los conductores.

El arco eléctrico es exactamente como un cortocircuito sostenido por el paso de corriente eléctrica a través del aire. En la imagen de la derecha (Figura 3) se puede observar que el arco eléctrico es provocado por una falla de contacto o una interrupción provocada en el conductor eléctrico por cualquier motivo.

En este caso no hay ningún cortocircuito. La corriente eléctrica sigue fluyendo con normalidad, sin que se note el efecto del arco (salvo el calentamiento excesivo y el incendio que puede provocar el arco).

Arco paralelo y arco de tierra.

Al realizar un análisis eléctrico de cada tipo de arco, vemos que para cada situación el inversor ve un tipo de falla y tiene una acción a tomar. Los arcos terrestres, al desviar parte de la corriente de la cuerda hacia tierra, son los más fáciles de detectar.

En esta situación, el inversor detecta el arco así como un DR (dispositivo residual), es decir, tomando la diferencia entre la corriente de entrada y salida de sus terminales DC. Si la corriente medida en los polos positivo y negativo es la misma, no se detecta ninguna fuga. Si la corriente no es la misma se detecta un fallo de aislamiento a tierra.

El inversor ve el arco paralelo como una caída repentina de corriente y voltaje. Dependiendo de la configuración de los sistemas de protección del inversor podrá ser capaz de detectarlo.

Tanto el arco de tierra como el arco paralelo no pueden prevenirse mediante la acción del inversor, ya que desconectar el conjunto del inversor a través de un interruptor automático interno, por ejemplo, no cambiará el comportamiento eléctrico de estos arcos de tal manera que se extingan. (suprime el voltaje o la corriente del arco).

En otras palabras, el inversor no debe realizar ninguna acción en arcos de falla a tierra y paralelos aparte de la notificación de falla. Uno de los principales motivos de los requisitos especiales para los cables y dispositivos fotovoltaicos es precisamente reducir el riesgo de estos dos tipos de arcos.

Cables y dispositivos con doble aislamiento, compatibles con la exposición del sistema al tiempo, niveles de voltaje y corriente y con conexiones seguras son los mejores métodos para evitar arcos en general.

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Arco en serie

El arco en serie surge cuando un conductor se interrumpe bruscamente o cuando hay un mal contacto en el circuito de corriente continua. Por ejemplo, puede producirse un arco al desconectar un conector MC4 o al retirar un fusible de una caja de cables mientras el sistema está en funcionamiento.

Un arco también puede ocurrir cuando los cables del circuito de corriente continua se rompen intencionada o accidentalmente o, más comúnmente, cuando hay malos contactos en las conexiones eléctricas del string-box o inversor.

El arco en serie, a diferencia de los demás ya presentados, se puede extinguir fácilmente, simplemente interrumpiendo el inversor el flujo de corriente. Para interrumpir el arco, el inversor puede apagarse electrónicamente o abrir un interruptor interno automático, deteniendo completa y rápidamente la corriente eléctrica.

El problema de este tipo de arco, aunque su extinción es relativamente sencilla, es su detección. El arco en sí se caracteriza por la continuidad del flujo de corriente incluso en ausencia de una sección de conductor.

Desde el punto de vista del circuito eléctrico, la corriente fluye normalmente incluso si en alguna parte del circuito se está produciendo un arco eléctrico de tipo serie. No hay cambios en los valores de voltaje o intensidad de corriente.

Cuando se produce el arco en serie, el inversor percibe niveles de tensión y corriente compatibles con los valores de funcionamiento normal del sistema. De hecho, se mide el mismo valor de la corriente que "entra" y la corriente que "sale" del inversor, y la detección por parte del dispositivo DR interno del inversor no es posible.

El arco eléctrico es un fenómeno de intenso calentamiento, que provoca la ionización del aire a su alrededor. Esta ionización cambia la resistencia equivalente del espacio de aire entre los conductores y también es capaz de fundir el conductor y su aislamiento.

Desde el punto de vista eléctrico, el circuito con presencia de arco eléctrico presenta pequeñas oscilaciones en la resistencia equivalente y el espaciamiento del aire.

Además de los efectos de la ionización del aire, existe una diferencia de potencial entre los conductores expuestos, creando el equivalente a un condensador que, al interactuar con la inductancia representada por el resto de la línea, forma efectivamente un oscilador RLC.

Este fenómeno da lugar a un comportamiento oscilatorio de alta frecuencia (del orden de decenas a cientos de kilohercios) que es efectivamente un componente de corriente alterna (CA) de alta frecuencia agregado a la corriente continua originalmente.

Este fenómeno de generación de corriente alterna de alta frecuencia se utilizó incluso en los primeros transmisores de radio, en los que un arco eléctrico creado intencionalmente recibía una señal de corriente y voltaje de un telégrafo, que luego se transformaba en una señal de radiofrecuencia.

El sistema de protección AFCI

El acrónimo AFCI proviene de la expresión inglesa “arc fallo circuito interruptor”, que en traducción libre significa: “arco fallo circuito interruptor”.

Los dispositivos AFCI no son obligatorios y aún son prácticamente desconocidos en Brasil, pero ya están ganando terreno en algunos países. Pueden insertarse como componentes en instalaciones eléctricas o pueden integrarse en inversores y otro tipo de equipos.

En la siguiente figura, vemos un ejemplo de un dispositivo AFCI que parece un disyuntor eléctrico y se puede agregar a paneles eléctricos y cajas de cables. Existen en el mercado dispositivos AFCI para corriente continua y corriente alterna.

Los dispositivos AFCI han sido obligatorios según el NEC (Código Eléctrico Nacional) de EE. UU. desde 1999, y su alcance ha aumentado a lo largo de los años. Según NEC 2020, AFCI es obligatorio en prácticamente todas las áreas de una residencia.

Si bien los dispositivos AFCI son prácticamente desconocidos en el mercado brasileño, además de no ser requeridos por ninguna norma técnica nacional, algunos inversores fotovoltaicos ya incorporan la función AFCI, como es el caso de los equipos del fabricante. Solis.

El sistema AFCI integrado en los inversores está diseñado para detectar arcos en serie en el string-box o en el cableado de corriente continua. En caso de arco en serie, el sistema AFCI envía una alerta a la CPU (unidad central de procesamiento) del inversor e interrumpe el funcionamiento del equipo, lo que inmediatamente detiene el flujo de corriente y extingue el arco eléctrico.

El arco en serie es el más común y el que tiene más probabilidades de ocurrir en el lado de corriente continua de los sistemas fotovoltaicos. La presencia de dispositivos AFCI en los inversores es muy beneficiosa y deseable, aumentando enormemente la seguridad de las instalaciones y previniendo incendios en los sistemas fotovoltaicos.

Cómo funciona la protección AFCI del inversor

Los sensores internos de corriente y voltaje de los inversores no están sensibilizados por señales de alta frecuencia típicas de un arco en serie. Para detectar el arco, el inversor debe tener un dispositivo de protección AFCI adicional, que analiza los componentes de alta frecuencia del voltaje y la corriente del conjunto e interrumpe el circuito cuando se alcanzan los valores umbral de alta frecuencia.

La figura 6 muestra el comportamiento de tensión y corriente de un inversor fotovoltaico ante un arco en serie. El comportamiento ruidoso de las dos variables (tensión y corriente) revela la existencia de componentes de alta frecuencia, que pueden ser detectados por un sistema AFCI.

Es posible analizar el comportamiento del arco en serie en el dominio de la frecuencia utilizando una transformada rápida de Fourier (FFT – Fast Fourier Transform), que es una técnica utilizada en ingeniería eléctrica para el análisis de señales compuestas de múltiples frecuencias.

FFT revela la composición de una señal eléctrica, revelando sus múltiples frecuencias. La corriente y el voltaje eléctricos típicos de un sistema fotovoltaico solo tienen componentes de baja frecuencia. Cuando se produce un arco eléctrico, se generan componentes de alta frecuencia que pueden revelarse mediante la técnica FFT.

La Figura 8 muestra en detalle cómo se comportan los niveles de ruido de alta frecuencia en el momento del arco. Las siguientes figuras fueron extraídas del trabajo “Detección de fallas de arco de CC en series en tiempo real basada en transformada rápida de Fourier” [1], que se utilizó como referencia en este artículo.

En la Figura 8, comparando las figuras “a” y “b” (dominio del tiempo) vemos que la principal diferencia es la aparición de ruido de alta frecuencia. Este ruido, provocado por la existencia de un arco eléctrico en el circuito, pasaría desapercibido en equipos sin función AFCI.

Los inversores convencionales simplemente no pueden percibir la presencia de este ruido. Al analizar la FFT de la corriente eléctrica, que es la técnica utilizada por los dispositivos AFCI, es posible percibir la presencia de ruido de arco, como se muestra en los puntos “c” y “d” de la Figura 8. La diferencia en la firma del arco Es notable la frecuencia entre los ítems “c” (corriente normal) y “d” (corriente de arco eléctrico).

¿Qué dice la norma brasileña sobre arcos en sistemas fotovoltaicos?

La norma ABNT NBR 16690 no exige la presencia de un dispositivo de detección de arco serie AFCI en los inversores, y esto está claramente escrito en el Anexo D de la norma. Sin embargo, aunque no sea obligatorio, la norma recomienda que exista algún tipo de detección y protección contra arcos en serie en los sistemas fotovoltaicos, implicando incluso que en futuras revisiones el ítem pueda volverse obligatorio:

La mejor manera de protegerse contra los arcos es prevenir sus causas en primer lugar. El uso de cables tipo solar con doble aislamiento, el uso de buenos conectores y el uso de buenas prácticas de montaje reducen significativamente el riesgo de roturas, malos contactos y accidentes con arcos eléctricos.

El uso de protección AFCI en inversores es reciente y no es obligatorio, pero ya se puede encontrar en diversos equipos disponibles en el mercado. Toda protección es bienvenida y sabemos que cuanto más fiables y seguros sean los sistemas fotovoltaicos, mayor será su aceptación por parte del público consumidor.

Referencia

• [1] MH Riza Alvy Syafi'i, E. Prasetyono, MK Khafidli, DO Anggriawan y A. Tjahjono, “Detección de fallas de arco de CC en serie en tiempo real basada en la transformada rápida de Fourier” Simposio internacional de electrónica de 2018 sobre tecnología y aplicaciones de ingeniería (IES- ETA), Bali, 2018, págs. 25-30, doi: 10.1109/ELECSYM.2018.8615525.