En los arreglos fotovoltaicos se pueden aplicar diferentes tipos de configuraciones eléctricas, por ejemplo, un arreglo puede estar formado por una sola serie fotovoltaica, múltiples series fotovoltaicas, múltiples subarreglos fotovoltaicos, entre otras configuraciones.
Todas las configuraciones deben contar con componentes de protección contra sobretensión y sobrecorriente, además de un dispositivo que permita aislar el circuito.
Para conectar los cables procedentes de los circuitos fotovoltaicos en serie (cadena) en un solo punto, un recinto (box) con un conjunto de buses de corriente continua (positivo y negativo).
Además de proporcionar las conexiones del circuito, en la caja de strings (técnicamente denominada en portugués caja de conexiones) también se encuentran los dispositivos de protección y el seccionador.
Una vez unificadas las conexiones y pasadas por los dispositivos de protección, se conecta el circuito al inversor.
El estandar NBR 16690 Instalaciones eléctricas de conjuntos fotovoltaicos - Requisitos del proyecto, define una caja de conexiones como: “armario en el que se conectan en paralelo subconjuntos fotovoltaicos, series fotovoltaicas o módulos fotovoltaicos, y que puede albergar dispositivos de protección y/o conmutación”.
envoltura
El envolvente es la caja donde se alojan las conexiones eléctricas, dispositivos de protección y dispositivos de conmutación.
Los materiales requieren una protección específica para cada tipo de ambiente al que estarán expuestos, además de proteger al usuario contra descargas eléctricas. Para ello se utilizan índices de protección (IP).
Para ambientes interiores, el índice mínimo de protección de la string box es IP2X y para ambientes exteriores, el índice mínimo de protección es IP55.
La siguiente imagen ilustra un gabinete con protección IP65, que se puede aplicar en ambientes externos e internos, tiene resistencia a los rayos UV y material retardante de llama. El sistema ejemplificado también tiene un carril DIN y un bus de puesta a tierra.
Protección contra la sobretensión
La sobrecorriente en un conjunto fotovoltaico puede deberse a fallas a tierra en los conductores del conjunto o a corrientes de cortocircuito en módulos fotovoltaicos, cajas de conexiones y cableado.
Los dispositivos de protección tienen como objetivo interrumpir las sobrecorrientes antes de que se vuelvan peligrosas, por sus efectos térmicos y mecánicos, o provoquen un aumento de temperatura perjudicial para el aislamiento, las conexiones, las terminaciones y el entorno de los conductores. Para esta protección utilizamos dos dispositivos: el fusible y el disyuntor.
Fusible
Los fusibles tipo gPV son adecuados para su uso en circuitos fotovoltaicos y ofrecen protección contra cortocircuitos y sobrecorrientes.
La denominación PV se refiere a la capacidad de los fusibles para funcionar con corriente continua con valores de tensión propios de los sistemas fotovoltaicos.
Para alojar estos fusibles en la caja de strings se utilizan portafusibles que deben tener una tensión nominal igual o superior a la tensión máxima del conjunto fotovoltaico y una corriente nominal igual o superior a la del fusible correspondiente, además de proporcionar un grado de protección adecuado para el lugar de instalación y no inferior a IP2X.
Los portafusibles también protegen al usuario de descargas eléctricas cuando se produce un contacto accidental.
A continuación ilustramos un portafusibles de 1500 V y 30 A CC.
Cortacircuitos
El disyuntor, además de proteger contra sobrecorriente, también puede funcionar como elemento aislante. Los disyuntores pueden sustituir el uso de fusibles en un sistema fotovoltaico. Para ello deberá tener una corriente de funcionamiento en tiempo convencional del 135% de la corriente nominal del dispositivo.
El disyuntor de tipo CA no tiene el mismo aislamiento y capacidad de interrupción de arco que un disyuntor de CC, por lo tanto, no debe usarse en la caja de cadenas.
El disyuntor debe cumplir con algunos requisitos:
- Cumplir con IEC 60947-2
- No ser sensible a la polaridad.
- Si está dimensionado para aislar la carga completa y las posibles corrientes de falla del conjunto fotovoltaico y cualquier otra fuente de energía conectada, como baterías, generadores y la red eléctrica, si está presente.
- Ser dimensionado para sobrecorriente de acuerdo con el ítem 5.3 de la norma NBR 16690
A continuación podemos ver un disyuntor CC tripolar de 1500 V y 40 A.
Protección contra sobretensión (DPS)
Cuando hablamos de DPS (dispositivo protector contra sobretensiones) en string box, normalmente nos topamos con una pregunta: ¿es necesario string box con DPS o no?
La norma NBR 16690 no especifica en qué ubicación debe incluirse el DPS, sólo dice que debe contener un dispositivo de sobretensión. Sin embargo, los DPS están sujetos a mantenimiento, y cuando son internos al inversor, dicho mantenimiento se vuelve más difícil en comparación con un DPS externo (en la caja de strings).
En este artículo do Canal Solar, este tema se discute con más detalle. En cualquier caso, un dispositivo de protección contra sobretensiones alojado en la caja de cadena o en el inversor protege al inversor contra sobretensiones originadas en el sistema de CC.
Los fenómenos que pueden provocar sobretensiones son: descargas atmosféricas en el SPDA (sistema de protección de descargas atmosféricas) y descargas atmosféricas cercanas que inducen corriente en el circuito DC.
Disponemos de tres tipos de DPS que se definen según su sensibilidad, siendo específicos para cada tipo de operación. Los detalles de un dispositivo de sobretensión se analizan con más detalle. en este artículo de Canal Energía solar.
A continuación comprobamos un DPS CC tipo 2 para aplicación solar fotovoltaica de 1500V.
Dispositivo de conmutación (interruptor seccionador)
Los dispositivos de conmutación son responsables de conectar y desconectar la parte de CC del sistema fotovoltaico. Según la norma NBR 16690, el interruptor seccionador debe cumplir algunos requisitos para su funcionamiento, a saber:
- No tenga ninguna pieza metálica expuesta, ya sea encendida o apagada.
- Tener una corriente nominal igual o mayor a la del respectivo dispositivo de protección contra sobrecorriente o, en ausencia de dicho dispositivo, tener una corriente nominal igual o mayor a la capacidad de corriente mínima requerida del circuito al que está conectado.
- No ser sensible a la polaridad (las corrientes de falla en un conjunto fotovoltaico pueden fluir en dirección opuesta al funcionamiento normal)
- Estar dimensionado para aislar la carga completa y las posibles corrientes de falla del conjunto fotovoltaico y cualquier otra fuente de energía conectada, como baterías, generadores y la red eléctrica, si está presente.
- Cuando se incorpore protección de sobrecorriente se deberá dimensionar de acuerdo con las protecciones de sobrecorriente.
- Tener la capacidad de interrumpir todos los conductores energizados simultáneamente.
Cada proyecto debe prepararse respetando la tensión de funcionamiento del interruptor y su corriente máxima, para evitar daños y accidentes más graves.
La siguiente figura muestra un interruptor seccionador de 1200 V y 32 A de funcionamiento, con una supresión de arco de 3ms.
A continuación podemos ver un interruptor seccionador adosado a las mesas de un parque fotovoltaico en Sudáfrica, facilitando las maniobras de mantenimiento.
Tipos de cajas de cuerdas
Las características de las string boxes están directamente asociadas a las configuraciones de los inversores y paneles fotovoltaicos.
La cantidad de entradas y salidas de la caja de cadenas depende de la cantidad de entradas MPPT en el inversor y de la cantidad de cadenas paralelas utilizadas en el sistema.
Puede resultar interesante leer los artículos siguientes para comprender este tema con más detalle:
- https://canalsolar.com.br/inversores-com-multiplos-mppt/
- https://canalsolar.com.br/entenda-as-stringboxes-com-multiplas-entradas-e-multiplas-saidas/
A continuación podemos ver dos modelos de string box de dos entradas y dos salidas, con capacidad de funcionamiento a 600 V y 1000 V, respectivamente.
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