seguridad en sistemas fotovoltaicos

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

DE CONEXIÓN A REDSEGURIDAD ELÉCTRICA

OSCAR PERPIÑÁN LAMIGUEIRO

DEFINICIONESPROTECCIÓN DE LAS PERSONAS

PUESTA A TIERRAPROTECCIÓN DE LOS EQUIPOSRESUMEN DE PROTECCIONES

ÍNDICE

1 DEFINICIONES

2 PROTECCIÓN DE LAS PERSONASEfectos de la corriente eléctricaContacto DirectoContacto Indirecto

3 PUESTA A TIERRA

4 PROTECCIÓN DE LOS EQUIPOSTormentas eléctricasProtecciones

5 RESUMEN DE PROTECCIONESCircuito DCCircuito AC

OSCAR PERPIÑÁN LAMIGUEIRO SFCR: SEGURIDAD ELÉCTRICA



CONTACTO DIRECTO E INDIRECTO

CONTACTO DIRECTO: contacto de personas o animales conpartes activas de los materiales y equipos

CONTACTO INDIRECTO: contacto de personas o animales conpartes que se han puesto bajo tensión comoresultado de un fallo de aislamiento.

PARTES ACTIVAS: Conductores y piezas conductoras bajotensión en servicio normal. Incluyen el conductorneutro o compensador y las partes a ellosconectadas.




MASA Y TIERRA

MASA: Conjunto de las partes metálicas de un aparatoque, en condiciones normales, están aisladas delas partes activas.

TIERRA: Masa conductora de la tierra en la que el potencialeléctrico en cada punto se toma,convencionalmente, igual a cero.

TOMA DE TIERRA: Electrodo, o conjunto de electrodos, encontacto con el suelo y que asegura la conexióneléctrica con el mismo.




CLASES DE MATERIALES

MATERIAL DE CLASE 0: Material en el cual la protección contrael choque eléctrico se basa en el aislamientoprincipal; lo que implica que no existe ningunadisposición prevista para la conexión de las partesactivas accesibles, si las hay, a un conductor deprotección que forme parte del cableado fijo de lainstalación. La protección en caso de defecto en elaislamiento principal depende del entorno.





MATERIAL DE CLASE I: la protección contra el choque eléctricono se basa únicamente en el aislamiento principal,sino que comporta una medida de seguridadcomplementaria en forma de medios de conexiónde las partes conductoras accesibles a unconductor de protección puesto a tierra, que formaparte del cableado fijo de la instalación, de formatal que las partes conductoras accesibles nopuedan presentar tensiones peligrosas.





MATERIAL DE CLASE II: la protección comporta medidas deseguridad complementarias, tales como el dobleaislamiento o aislamiento reforzado. Estasmedidas no suponen la utilización de puesta atierra para la protección y no dependen de lascondiciones de la instalación. Este material debeestar alimentado por cables con doble aislamientoo con aislamiento reforzado.

MATERIAL DE CLASE III: la protección no se basa en laalimentación a muy baja tensión y en el cual no seproducen tensiones superiores a 50 V en c.a. ó a75V en c.c.




TENSIÓN DE CONTACTO

TENSIÓN DE CONTACTO: Tensión que aparece entre partesaccesibles simultáneamente, al ocurrir un fallo deaislamiento. Por convenio este término solo seutiliza en relación con la protección contracontactos indirectos.En ciertos casos el valor de la tensión de contactopuede resultar influido notablemente por laimpedancia que presenta la persona en contactocon esas partes.




TENSIÓN DE DEFECTO

TENSIÓN DE DEFECTO: Tensión que aparece a causa de undefecto de aislamiento, entre dos masas, entre unamasa y un elemento conductor, o entre una masa yuna toma de tierra de referencia, es decir, unpunto en el que el potencial no se modifica alquedar la masa en tensión.




ESQUEMAS DE CONEXIÓN A TIERRA

PRIMERA LETRA: conexión de alimentación y tierra

T= conexión directa de un punto dealimentación a tierra.

I= aislamiento de todas las partesactivas respecto a tierra

SEGUNDA LETRA: conexión de masas con tierra

T= masas conectadas directamente atierra, independientemente deconexión de alimentación

N= masas conectadas directamente apunto de alimentación puesto a tierra(en alterna, normalmente el neutro)





TT: en alterna, neutro puesto a tierra y masas a tierra,pero de forma independiente.Instalaciones receptoras en una red dedistribución pública de BT.

TN: en alterna, neutro puesto a tierra, y masasconectadas al neutro (directamente o a través deun conductor de protección).

IT: todos los conductores activos aislados de tierra, ymasas conectadas a tierra.Esquema habitual en zona del generador FV enSFCR europeos.





En un sistema fotovoltaico es de uso común que el esquema detierra sea IT en la zona del generador fotovoltaico y TT apartir de la salida del inversor.




EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICACONTACTO DIRECTOCONTACTO INDIRECTO

ÍNDICE

1 DEFINICIONES


3 PUESTA A TIERRA







INTENSIDAD Y TIEMPO DE CONTACTO

Hasta 10 mA no genera efectos peligrosos (calambres).Por encima de 500 mA puede producir fibrilaciónmuscular.La intensidad que circula depende de la tensión decontacto y la resistencia expuesta.

Reducir tensión.Aumentar resistencia (guantes, calzado, aislamiento delsuelo)


INTENSIDAD Y TIEMPO DE CONTACTO




TRAYECTORIA DE LA CORRIENTE

La trayectoria se realiza siguiendo la ruta más corta o la demenor resistencia.Los efectos son más graves si en la trayectoria seencuentran organos vitales.Además, los efectos dependen de la edad, el sexo, el estadofísico, la fatiga, el miedo...





RESISTENCIA DEL CUERPO

No es homogénea: cada parte del cuerpo presenta valoresdiferentes.No es estable con el tiempo: depende de la duración delcontacto y de la tensión aplicada (disminuye con latensión!).Depende del estado de la piel, sudoración, estado físico,superficie de contacto, presión.





FRECUENCIA ELÉCTRICA

Continua:Umbral de percepción: 2 mAUmbral control muscular: 75 mAMenos peligrosa que alterna convencional. Puede producirelectrolisis de la sangre.

Alterna 50 Hz:Umbral de percepción: 0.5 mAUmbral de control muscular: 15 mA

Alterna 10 kHz:Umbral de percepción: 5 mAUmbral de control muscular: 75 mADebido al efecto pelicular, los efectos son menores que laalterna convencional (la corriente circula por la piel, sinatravesar organos internos).





TENSIÓN Y CORRIENTE DE SEGURIDAD

Se establecen dos condiciones: emplazamientos secos ohúmedos (instalaciones de interior); emplazamientosmojados (instalaciones en intemperie).Se define como tensión de seguridad la tensión de contactomáxima admisible durante al menos cinco segundos. Paraemplazamientos secos es de 120 Vcc y 50 Vca; paraemplazamientos mojados es de 60 Vcc y 24 Vca.La corriente máxima admisible se fija en 30 mA para ACy 100 mA para CC.





CONTACTO DIRECTO TT/TN

Rh

RpRts

Rtp

Vg Rh

RpRts

VgRh

If

Rp

Rts

Vg

IF,max =VocG

RH + Rp + Rts





CONTACTO DIRECTO IT

Vm

+

R(m)iso

C(m)iso

Vm

+

R(m)iso

C(m)iso

Vm

+

R(m)iso

C(m)iso

If ≤ 100 mA =⇒ Riso ≥ 10 ·VocG − RH

Se necesitan tensiones de generador superiores a los 1000 Vpara producir dolor, y tensiones superiores a los 3000 V paraque exista riesgo por fibrilación.





REBT: CONTACTOS DIRECTOS

Según la ITC-BT-24 las protecciones a utilizar para protegerfrente a contactos directos deben estar basadas en evitar queuna persona pueda entrar en contacto con las partes activas dela instalación, e incluye una protección complementaria cuandolas anteriores no consiguen su objetivo:

Protección por aislamiento de las partes activasProtección por medio de barreras o envolventesProtección por medio de obstáculosProtección por puesta fuera de alcance por alejamientoProtección complementaria por dispositivos de corrientediferencial-residual





CONTACTO INDIRECTO TT

Rts

Rtp

Rh

Rp

RisoI f Riso

Rtp

RhVc

Rp

Rts

Vc ' IscG · Rtp





CONTACTO INDIRECTO TN

Rts

R

Rh

Rp

Riso

I f Riso Rh

Vc

Rp

RtsR

Vc = 0

IF,max =VocG

Riso + R





CONTACTO INDIRECTO IT

Rtp

Rh

Rp

RisoI f Riso

Rtp

RhVc

Rp

Vc = 0IF = 0





REBT: CONTACTOS INDIRECTOS

Esta misma ITC-BT-24 recoge las formas de protección paracontactos indirectos:

Protección por corte automático de la alimentación:cuando se produce el contacto, el objetivo es evitar que lafuente eléctrica siga alimentando la fuga.Protección por empleo de equipos de clase II o poraislamiento equivalente, con la misión de alcanzarresistencias de aislamiento de alto valor y estables en eltiempo.Puesta a tierra, como camino preferente para conducir lacorriente de fuga y para servir de potencial común paratodos los elementos que entran en contacto con ella.




ÍNDICE

1 DEFINICIONES


3 PUESTA A TIERRA






RESISTENCIA PARA CADA CONEXIÓN

TT

Rtp ≤Vmax

If

EJEMPLO: Una instalación fotovoltaica se considera localmojado, así que Vmax = 60 V. Al ser corrientecontinua Imax = 100 mA. Si este generadorfotovoltaico utiliza el esquema TT seráRtp ≤ 600 Ω.




RESISTENCIA PARA CADA CONEXIÓN

IT CON UNA FALTA A TIERRA

Rtp ≤Vmax

Isc

EJEMPLO: Suponiendo Isc = 150 A, la resistencia de la puestaa tierra debe ser ahora Rtp ≤ 0,4 Ω.




PRÁCTICA COMÚN

Este segundo cálculo arroja un valor difícilmente alcanzableen un terreno con valores de resistividad eléctrica normalesdentro de ciertos costes razonables. En general, se sueleadoptar como requisito mínimo

Rtp ≤Vmax

If

aplicado a la zona de corriente alterna (por tanto, empleandoVmax = 24 V y Imax = 30 mA).Con este primer resultado se diseña un sistema de puesta atierra y se intenta mejorar para alcanzar

Rtp ≤Vmax

Isc

aplicada al generador fotovoltaico.OSCAR PERPIÑÁN LAMIGUEIRO SFCR: SEGURIDAD ELÉCTRICA



CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE TIERRA

RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

Para una pica vertical Rt =ρL , siendo ρ la resistividad del

terreno y L la longitud de la pica.

RESISTIVIDAD EN FUNCIÓN DEL TERRENO

Terrenos cultivables fértiles 50 Ω ·mTerrenos cultivables poco fértiles 500 Ω ·m

Suelos pedregosos 3 000 Ω ·m




CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE TIERRA

ELECTRODOS EN PARALELO

Para mejorar la resistencia de toma de tierra, se utilizan varioselectrodos interconectados, situados a distancias del orden de10 m. De esta forma, la resistencia equivalente es(aproximadamente) el paralelo de las individuales.Por ejemplo, para conseguir una Rt = 5 Ω en un terreno conρ = 100 Ω se deberán utilizar aproximadamente 10 picas deuna longitud de 2 metros (cada una de ellas tendrá unaresistencia Rt,i = 50 Ω).




TOMAS DE TIERRA EXISTENTES

A la hora de realizar puestas a tierra en lugares donde yaexisten tomas a tierra que pertenecen a otras instalacioneseléctricas.

Cuando corresponda a la instalación de Baja Tensión deledificio se utilizará la puesta a tierra existente paraconectar las masas del sistema fotovoltaico.Cuando corresponde al neutro de Media Tensión deltransformador de la compañía eléctrica es necesariosepararse suficientemente para no interferir en sufuncionamiento. Para terrenos de resistividad no elevada(ρ < 100 Ω m), esta condición se cumple para distanciassuperiores a 15 m.




TORMENTAS ELÉCTRICASPROTECCIONES

ÍNDICE

1 DEFINICIONES


3 PUESTA A TIERRA







FORMACIÓN DE LAS TORMENTAS

Dentro de los núcleos tormentosos, las cargas positivasascienden a las capas superiores de las nubes. Estaseparación de cargas produce un campo eléctrico.Por otra parte, las cargas negativas de las capas inferioresatraen las cargas positivas en superficie terrestre.Cuando el campo eléctrico interno de la nube alcanza laruptura del aire, se producen descargas eléctricas. Estadescarga comienza en la nube con un trazadordescendente hacia la superficie terrestre.





ENCUENTRO ENTRE TRAZADORES

Cuando el trazador descendente se acerca a una distanciade entre 10 a 100 m de la tierra, se generan diversostrazadores ascendentes desde la superficie en busca deltrazador descendente.Aquel trazador ascendente que conecta con el descendentecierra la descarga y determina el lugar del impacto.





ENCUENTRO ENTRE TRAZADORES





INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES LOCALES

La descarga está determinada principalmente por el campoeléctrico interno de la nube, con una menor influenciadebida a las condiciones de la superficie terrestre.Cuando el trazador se encuentra a una distancia de entre10 a 100 metros, las condiciones locales suponen unamayor influencia.Las construcciones metálicas de mayor altura (antenas) osuperficie (instalaciones fotovoltaicas) favorecen laformación de trazadores ascendentes que conecten con eldescendente.





INFLUENCIA DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Por tanto, las instalaciones fotovoltaicas no aumentan laprobabilidad de descargas locales (determinadas por lasnubes), pero una vez que se producen, son lugares con mayorprobabilidad de impacto.





DESCARGA Y CAMPO MAGNÉTICO

Una descarga eléctrica supone unacorriente de gran valor en un lapsode tiempo muy corto.Esta corriente produce unainducción magnética a sualrededor, también de caractervariable.Un flujo magnético variableproduce una fuerza electromotrizentre los extremos del areaatravesada.

Vind

Ides~B





FACTORES DE INFLUENCIA

Esta diferencia de potencial depende de:Valor de la inducción magnética (depende de latormenta).Distancia de la descarga al sistema (dependeprincipalmente de la tormenta).Area efectiva del sistema (depende del diseñador y delinstalador).





AREA Y CABLEADO





PROTECCIÓN EXTERNA

Un sistema de protección externa contra el rayo se compone de:

Terminal aéreo (punta)Conductor(es) de bajada (interconectados)Puesta a tierra.





PROTECCIÓN EXTERNA





PROTECCIÓN EXTERNA

Se debe calcular una distancia de seguridad entre la bajadadel pararrayos y las instalaciones metálicas cercanas.Se asume que una distancia mayor a 1 metro es superior ala distancia de seguridad.Si la distancia es inferior a la de seguridad, el sistema depuesta a tierra de la protección externa y la estructurametálica deben interconectarse para evitar la existencia dedescargas entre conductores.Si la distancia es superior a la de seguridad, los sistemasde puesta a tierra deben ser independientes.





PROTECCIONES INTERNAS

Todas las masas deben estar conectadas a un sistema depuesta a tierra. En general, la estructura de soporte seconecta directamente a tierra, pero no el marco de losmódulos.En la entrada/salida de cada elemento a proteger seinstalan supresores de tensión (varistores) entreconductores activos y tierra.Es importante tener en cuenta que cuando un varistoractúa, realiza un cortocircuito entre sus conexiones.


PROTECCIONES INTERNAS



CIRCUITO DCCIRCUITO AC

ÍNDICE

1 DEFINICIONES


3 PUESTA A TIERRA







DIAGRAMA UNIFILAR





TRES NIVELES DE PROTECCIÓN

Todo el sistema de protección para sistemas IT se puedeconcebir en tres niveles:

Nivel 1: Refuerzo del aislamiento de las partes activas.Nivel 2: Sistema de detección de aislamiento.Nivel 3: Puesta a tierra.





NIVEL 1: REFUERZO DEL AISLAMIENTO DE LAS

PARTES ACTIVAS.

CONFIGURACIÓN FLOTANTE DEL GENERADOR: seimposibilitan los accidentes por la aparición decontactos indirectos de primer contacto.

CABLEADO CON AISLAMIENTO DE PROTECCIÓN: Estosaislamientos refuerzan la protección contracontactos indirectos.

AISLAMIENTO GALVÁNICO AC-DC: Mediantetransformadores de devanados independientes enlos inversores se imposibilita el cierre de corrientede fallo a través del inversor.





NIVEL 2: SISTEMA DE DETECCIÓN DE AISLAMIENTO.

VIGILANTE DE AISLAMIENTO: Este elemento genera una señalde baja frecuencia (2 a 5 Hz) para evitar las fugascapacitivas del cableado, y que inyecta en un poloactivo midiendo la corriente de retorno, y portanto, la resistencia de aislamiento.

EN CASO DE PÉRDIDA DE AISLAMIENTO, el vigilante ordena eldisparo de los interruptores aislando el campofotovoltaico afectado. La orden provoca ladesconexión del inversor, el cortocircuito delcampo y la puesta a tierra del mismo.





NIVEL 3: PROTECCIÓN EN CASO DE FALLO DE LOS

NIVELES 1 Y 2:

EN CASO DE FALLO DE LOS NIVELES ANTERIORES aún quedala protección proporcionada por la puesta a tierradirecta de todas las masas de la planta. Gracias aella se limitara la tensión que con respecto a tierrapuedan adquirir las masas en caso de derivación.





CORTOCIRCUITOS

El cortocircuito es un punto de trabajo no peligroso parael generador fotovoltaico.El cortocircuito puede, sin embargo, ser perjudicial para elinversor. Como medio de protección se incluyen fusiblesde tipo gG normalizados según EN 60269 en cada polo.Para las personas es peligrosa la realización o eliminaciónde un cortocircuito franco en el campo generador, por laposibilidad de que se establezca un arco eléctrico. Esrecomendable la conducción separada del positivo y delnegativo para evitar cortocircuitos por pérdida deaislamiento.





FUSIBLES

El fusible por rama sirve principalmente como elementode seccionamiento (facilita las tareas de mantenimiento).Debe elegirse mediante:

IB < In < Iz

I2 < 1,45 · Iz

siendo IB la intensidad de diseño de la línea, In laintensidad nominal del dispositivo de protección, e Iz es laintensidad admisible por el conductor e I2 la intensidadque asegura efectivamente el funcionamiento deldispositivo de protección.Suele utilizarse In ≥ 1,25 · IscG . Para fusibles, normalmenteI2 = 1,6 · In





FUSIBLES

En las instalaciones eléctricas convencionales es frecuenteel empleo de fusibles (y otros elementos de protección) encascada con poder de corte creciente en dirección al puntode conexión a red.Esta práctica se basa en que, en la red convencional, lacorriente de cortocircuito es sustancialmente superior a lade operación.





FUSIBLES

Sin embargo, su traslación directa a los sistemasfotovoltaicos carece de sentido dada la similitud entreambas corrientes.Aunque puede defenderse su utilidad al permitir elseccionamiento parcial del generador debe tenerse encuenta que esta funcionalidad la ofrece el portafusibles yno el fusible mismo.





SOBRETENSIONES

Se protegerá la entrada CC del inversor mediantevaristores (dispositivos bipolares de protección clase II),válidos para la mayoría de equipos conectados a la red.El dispositivo tendrá una tensión de operación marcadapor el diseño del sistema concreto, rango definido entre latensión de serie para la menor tensión en el punto demáxima potencia y la mayor tensión de circuito abierto.





CORTOCIRCUITOS Y SOBRECARGAS

Según el RD 1663-2000 es necesario incluir un interruptorgeneral manual, que será un interruptor magnetotérmicoomnipolar.Este interruptor, que se ubica en el cuadro de contadores de lainstalación fotovoltaica, será accesible sólo a la empresadistribuidora, con objeto de poder realizar la desconexiónmanual, que permita la realización, de forma segura, de laboresde mantenimiento en la red de la compañía eléctrica.






Esta inaccesibilidad obliga a introducir un segundomagnetotérmico omnipolar en la instalación, de menorintensidad nominal, que será el que realmente proteja a lainstalación AC de las sobrecargas y cortocircuitos.Este segundo magnetotérmico actuará antes que elinterruptor general manual, salvo cortocircuitos de ciertaimportancia provenientes de la red de la compañía.Asimismo, con el fin de dar cierta independencia a laslíneas propias de cada inversor, se utilizará unmagnetotérmico de menor corriente asignada para cadainversor.






Se utilizarán magnetotérmicos tipo C, los utilizados cuando noexisten corrientes de arranque de consumo elevadas,cumpliendo:

IB < In < Iz

I2 < 1,45 · Iz

Los interruptores magnetotérmicos normalizados cumplenI2 = 1,45 · In.





INTERRUPTOR DIFERENCIAL

Un interruptor diferencial está basado en un toroide queenlaza a todos los conductores. Si existe una corriente dedefecto, la corriente en cada conductor es diferente. Segúnla sensibilidad del interruptor, cortará el circuito a partirde un umbral de corriente.Al estar basado en la ley de Faraday (fuerza electromotrizcreada un por un flujo magnético variable), no funcionaen circuitos DC.






En redes de distribución pública la conexión es TT. Lacorriente de fallo cerrará el circuito a través de la puesta atierra del neutro del centro de transformación. Por tanto, eldiferencial no protege el tramo comprendido entre él y elcentro de transformación.

F

N

If

I

I − If






La instalación contará con diferencial de 30 mA desensibilidad en la parte CA, para proteger de derivacionesen este circuito.Con el fin de que sólo actúe por fallos a tierra, será de unacorriente asignada superior a la del magnetotérmico deprotección.





PUESTA A TIERRA

Según RD 1663/2000, en que se fijan las condicionestécnicas para la conexión de instalaciones fotovoltaicas a lared, la puesta a tierra se realizará de forma que no altere lade la compañía eléctrica distribuidora, con el fin de notransmitir defectos a la misma.Asimismo, las masas de la instalación fotovoltaicaestarán conectadas a una tierra independiente de la delneutro de la empresa distribuidora de acuerdo con elReglamento Electrotécnico para Baja Tensión.


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