¿Stringbox con DPS es necesario o no? ¿Qué dice la NBR 16690?

Una duda común entre los diseñadores de sistemas fotovoltaicos es sobre el uso de un stringbox externo cuando el inversor ya tiene un stringbox integrado. Hay varias preguntas involucradas en la respuesta a esta pregunta.

En este artículo analizaremos el tema con una mirada especial al DPS (dispositivo de protección contra sobretensiones) y un acercamiento a la norma NBR 16690.

La norma NBR 16690 – Instalaciones eléctricas de conjuntos fotovoltaicos, requisitos de proyecto – fue publicada en octubre de 2019. Esta publicación fue muy esperada, ya que antes el área de proyectos fotovoltaicos en Brasil era un territorio casi sin ley.

Digo casi, porque a falta de una norma nacional, el profesional de la ingeniería debe buscar orientación en normas internacionales. Antes de profundizar más en el tema, reflexionemos sobre qué es una norma técnica.

Independientemente de cualquier definición legal, el ingeniero que diseña un sistema debe, en cualquier caso, buscar siempre el mejor conocimiento sobre el estado actual de la ciencia y la tecnología.

La norma técnica corresponde al conjunto mínimo de requisitos que se derivan del nivel actual de conocimiento sobre un tema determinado. La norma es una referencia mínima para cualquier área de la ingeniería y no una referencia limitante.

El stringbox y los inversores string

Stringox se compone básicamente de estos cuatro elementos: conjunto de buses de corriente continua (positivo y negativo), conjunto de fusibles, seccionador y protector contra sobretensiones. Puedes encontrar stringboxes más sofisticados, con dispositivos de monitoreo de corriente de string, módulos de comunicación y otras cosas, pero cada stringbox siempre tendrá algunos de los elementos mencionados anteriormente.

La función principal de cada strinbox es concatenar los circuitos del string, uniéndolos en dos buses (positivo y negativo) y proporcionando una única salida para la conexión al inversor. Podemos decir que el conjunto de buses es el elemento funcional del stringbox, mientras que los demás son elementos de protección y seccionamiento.

¿Por qué son necesarios elementos de protección y seccionamiento? El interruptor seccionador es necesario para permitir seccionar el circuito bajo carga, apagándolo cuando sea necesario por cualquier motivo (en situaciones de emergencia o en cualquier situación en la que sea necesario apagar el sistema fotovoltaico).

El protector contra sobretensiones es necesario para proteger la instalación y los equipos (principalmente el inversor) contra las sobretensiones provocadas por las descargas atmosféricas. Los fusibles son necesarios para proteger las cadenas fotovoltaicas contra la corriente inversa.

Según la norma NBR 16690, en circuitos con tres o más cadenas en paralelo, es imprescindible el uso de fusibles en las cadenas. Los diseñadores de instalaciones fotovoltaicas ya conocen los componentes de protección y las razones para su uso. La pregunta central que genera dudas es:

• ¿Es necesario alojar estos componentes en una caja de cables externa o se pueden integrar en el inversor?
• En otras palabras, ¿se pueden integrar en el inversor los componentes del stringbox (interruptor, fusibles y protector contra sobretensiones)?

Además de las funciones de protección y seccionamiento, los stringbox tienen naturalmente la función de concatenar los distintos strings del sistema fotovoltaico y proporcionar una única salida para el inversor, como se mencionó anteriormente. La duda sobre la necesidad de un stringbox ha surgido con la llegada al mercado de inversores con un número cada vez mayor de entradas de string.

A medida que los inversores empiezan a asumir la función de concatenar strings, ofreciendo enchufes y entradas para la conexión directa de strings, el stringbox pierde su principal razón de existir.

Sin embargo, si ya no es necesaria la función de concatenar strings con buses externos, el inversor deberá incorporar funciones de protección y seccionamiento, incluyendo fusibles para strings, protector contra sobretensiones y seccionador.

¿Es suficiente o ventajoso tener funciones de protección integradas en el inversor? ¿La reducción de costes mediante la eliminación del stringbox aporta beneficios a la seguridad de los sistemas fotovoltaicos? ¿Las normas técnicas permiten prescindir del stringbox externo? ¿Las normas son correctas o incorrectas?

Estas son las preguntas que intentaremos responder a continuación.

La norma NBR 16690

Según el artículo 1 de la NBR 16690: “Esta norma establece los requisitos de diseño para instalaciones eléctricas de conjuntos fotovoltaicos, incluyendo disposiciones sobre conductores, dispositivos de protección eléctrica, dispositivos de conmutación, puesta a tierra y equipotencialización del conjunto fotovoltaico. El alcance de esta norma incluye todas las partes del conjunto fotovoltaico hasta, pero sin incluir, los dispositivos de almacenamiento de energía, las unidades de acondicionamiento de energía o las cargas. (…) El objetivo de esta norma es especificar los requisitos de seguridad que surgen de las características particulares de los sistemas fotovoltaicos. Los sistemas de corriente continua, y los conjuntos fotovoltaicos en particular, conllevan riesgos que van más allá de los que surgen de los sistemas de energía de corriente alterna convencionales, incluida la capacidad de producir y sostener arcos eléctricos con corrientes que no son mayores que las corrientes operativas normales."

Si se va a diseñar cualquier tipo de sistema fotovoltaico o planta solar, es bueno prestar atención a la NBR 16690. Complementa otras normas existentes, como la NBR 5410 y la NR-10, abordando temas más relacionados con la corriente continua. (es decir, desde los módulos fotovoltaicos hasta la entrada del inversor).

A pesar de lo que podamos pensar o pensar sobre cualquier tema, es bueno respetar las reglas. Sin olvidar que debe ser nuestra referencia mínima y no una barrera limitante. Un proyecto de ingeniería (como todo en la vida) puede ser mucho mejor que el mínimo.

Protección contra sobretensiones

El artículo 5.4.2 de la NBR 16690 dice que “Para proteger el sistema de CC en su conjunto, se pueden montar dispositivos de protección contra sobretensiones entre los conductores activos y entre los conductores activos y tierra en el cable del conjunto fotovoltaico y en la entrada de la CPU [unidad de conversión de energía, que es el inversor]. Para proteger equipos específicos, los dispositivos de protección contra sobretensiones se pueden montar lo más cerca posible del equipo. La instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones debe ser evaluada de acuerdo con la ABNT NBR 5419 y se deben implementar medidas de protección adecuadas cuando la necesidad se demuestre en el análisis de riesgos. El informe de cálculo del análisis de riesgo, de acuerdo con la ABNT NBR 5419-2, debe formar parte de la documentación del proyecto. IEC 61643-32 proporciona la metodología para proteger los sistemas fotovoltaicos contra sobretensiones mediante dispositivos de protección contra sobretensiones. La protección contra sobretensiones es un tema complejo y se debe llevar a cabo una evaluación exhaustiva, especialmente en áreas donde los rayos son comunes."

En resumen, la NBR 16690 no dice explícitamente que sea necesario un protector contra sobretensiones, pero su uso debe ser evaluado de acuerdo con recomendaciones de otras normas. Sabemos que es necesario y es una práctica habitual en proyectos fotovoltaicos. Es inconcebible tener un sistema fotovoltaico que no tenga en algún lugar un protector contra sobretensiones de corriente continua, ya sea en el stringbox o en el inversor.

Un detalle importante que llama la atención la NBR 16690: “El dispositivo de protección contra sobretensiones debe contar con una autoprotección al final de su vida útil que garantice la desconexión en cualquier condición de operación del conjunto fotovoltaico. (…) Debido al comportamiento característico del sistema fotovoltaico, su corriente de cortocircuito varía según la irradiancia solar, haciendo complejo el dimensionamiento de un dispositivo de protección mediante fusible en serie con el dispositivo de protección contra sobretensiones. Los dispositivos de protección contra sobretensiones basados ​​en varistores, cuando llegan al final de su vida útil, se convierten en cortocircuitos y pueden encenderse si no se desconectan. Un fusible de protección SPD dimensionado para la corriente máxima de cortocircuito del conjunto fotovoltaico no puede desconectar el dispositivo de protección contra sobretensiones en condiciones de baja irradiancia."

Lo dicho anteriormente, entre otras cosas, es que los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD), al final de su vida útil, conducen altas corrientes y pueden encenderse. Debe haber un dispositivo interruptor en serie con el DPS.

Este dispositivo puede ser un fusible conectado en serie con el DPS, que rara vez se utiliza en instalaciones, o puede ser un dispositivo interno capaz de desconectarse en presencia de una corriente elevada.

En el apartado 6.3.5, la NBR 16690 también agrega: “Los requisitos para los dispositivos de protección contra sobretensiones especificados en la ABNT NBR 5410 (…) deben ser sustituidos por los requisitos presentados en este inciso. Los DPS se incorporan a las instalaciones eléctricas para limitar las sobretensiones transitorias de origen atmosférico (transmitidas por los sistemas eléctricos, ya sean de corriente alterna, corriente continua o ambas), y las sobretensiones resultantes de las maniobras. Ciertas CPU tienen algún tipo de DPS incorporado; sin embargo, es posible que también se requieran dispositivos externos. En estos casos se deberá comprobar la coordinación entre los dos DPS con el proveedor del equipo. Para proteger equipos específicos, los SPD deben instalarse lo más cerca posible del equipo a proteger. Para protección en el lado de CC, los SPD deben cumplir con EN 50539-11 o IEC 61643-31 y estar clasificados explícitamente para su uso en el lado de CC de un sistema fotovoltaico."

En resumen, lo dicho anteriormente es que el DPS debe instalarse lo más cerca posible del inversor, que puede ser externo o interno. En otras palabras, la norma no exige el uso de un DPS externo y no excluye la posibilidad de utilizar un DPS interno.

La norma simplemente establece que en el lado de corriente continua del sistema fotovoltaico se debe utilizar un dispositivo preparado para funcionar en corriente continua. En nuestra misión de utilizar la norma sólo como referencia mínima para proyectos, ahora plantearemos algunas cuestiones en las que las directrices de la norma son insuficientes.

DPS externo: mantenimiento más sencillo y mayor seguridad

Muchos inversores en el mercado ofrecen DPS incorporado, como el equipo que se muestra en la Figura 4. Es bueno que haya un DPS interno al equipo, ya que la protección de los circuitos electrónicos del inversor aumenta con la proximidad del DPS.

Aunque la norma NBR 16690 no lo exige, se recomienda que exista un protector de sobretensión externo, incluso si el inversor ya incorpora este dispositivo. Esto es bueno no sólo por la doble protección, sino también por una razón muy importante: la facilidad de mantenimiento.

El DPS tiene una vida útil. El varistor interno del DPS tiene su impedancia reducida a medida que se desgasta tras sucesivas actuaciones. En los protectores contra sobretensiones que se ofrecen actualmente en el mercado existe un sistema de apertura de contactos mediante fusión de un punto de soldadura, como se muestra en la Figura 5.

Al final de su vida útil, este contacto se abre y el DPS pierde completamente su eficacia, siendo necesario sustituirlo. Para ofrecer protección, el DPS debe inspeccionarse y cambiarse periódicamente. Un DPS caducado puede suponer un riesgo para el sistema fotovoltaico por falta de protección.

El acceso al DPS interno del inversor requiere la apertura del equipo por parte de un profesional especializado, mientras que la inspección del DPS externo puede ser realizada incluso por el propio usuario del sistema fotovoltaico. La existencia de un DPS externo alojado en el stringbox aumenta la seguridad del sistema fotovoltaico, ya que facilita el mantenimiento del DPS y proporciona una segunda barrera de protección para el inversor.

Con una correcta coordinación entre los protectores internos y externos, el DPS externo debería absorber las sobretensiones de la red eléctrica salvando el DPS interno del inversor. Podemos decir que tener un DPS interno al inversor es bueno, pero usar un DPS externo es aún mejor.

No mantener el DPS interno puede inutilizar el dispositivo, poniendo en riesgo el inversor. El fácil mantenimiento del DPS externo, ilustrado en la Figura 6, justifica su uso. El coste adicional de un stringbox con DPS es insignificante en comparación con el coste del inversor o del sistema fotovoltaico en su conjunto.

Ver más allá de los horizontes de la norma

Utilizando la norma NBR 16690 como referencia mínima para el proyecto, el único requisito a observar es que el DPS sea apto para uso en corriente continua – y nada más. La norma es indiferente en cuanto a la ubicación del DPS: puede ser interno al inversor o puede ubicarse en una stringbox externa.

Lo que no dice la norma es que el DPS necesita mantenimiento y esto se vuelve más difícil cuando el DPS es interno. Un DPS externo ofrece algo que el estándar no prevé: facilidad de mantenimiento (además de doble protección para el inversor, si ya cuenta con el DPS interno).

Quizás la norma incorpore la obligación de DPS externos en el futuro, cuando los usuarios de sistemas fotovoltaicos perciban la necesidad de mantenimiento. La internalización del DPS en el inversor dificulta la inspección y reemplazo del DPS, como se ilustra en la Figura 6.

Un DPS vencido y no reemplazado se vuelve peligroso, ya que deja al inversor vulnerable a sobretensiones de la red eléctrica. Los inversores, al permitir la conexión directa de un gran número de strings, reducen los costes de instalación al eliminar la necesidad de una caja de strings externa, pero sacrifican la seguridad de los sistemas fotovoltaicos.

Un DPS interno (incorporado al inversor) que ha llegado al final de su vida útil y no ha sido sustituido no sólo es inofensivo sino también peligroso. El uso del DPS externo, alojado en el stringbox, ofrece una mayor facilidad de mantenimiento y una mayor protección del sistema fotovoltaico.

En resumen, tenemos varios puntos relacionados con el uso de DPS que el diseñador del sistema fotovoltaico actualmente no logra ver a la luz de la norma NBR 16690:

• Un DPS sin mantenimiento, con el varistor caducado, se vuelve inútil y expone a riesgos el sistema fotovoltaico;
• Es difícil mantener el DPS interno, aunque la presencia de este dispositivo en el inversor es ventajosa;
• Debido a la facilidad de mantenimiento, se recomienda utilizar un DPS externo, incluso si el inversor ya tiene un dispositivo interno;
• El DPS externo, correctamente asociado al DPS interno, ofrece una doble barrera de protección para el inversor.