Guía de protectores de sobretensión DC: dimensionar SPD fotovoltaicos de 1000 V y 1500 V

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La necesidad crítica de una protección DC dedicada en las instalaciones fotovoltaicas

Las instalaciones fotovoltaicas (FV) son intrínsecamente vulnerables a las descargas atmosféricas y a las sobretensiones transitorias. Debido a su gran superficie, a su exposición exterior en terreno abierto, a los conjuntos en cubierta y a los largos tendidos de cable entre módulos e inversores, las plantas fotovoltaicas actúan como enormes antenas que captan tanto los impactos directos de rayo como el acoplamiento electromagnético indirecto de las descargas nube-tierra.

Un solo impacto indirecto a varios cientos de metros puede inducir sobretensiones transitorias superiores a 10.000 voltios a lo largo del cableado DC. Sin una protección de sobretensión robusta, estos transitorios de alta energía destruyen al instante los diodos de bypass de los módulos, perforan el aislamiento de las células de capa fina y aniquilan los delicados semiconductores de conmutación del seguidor del punto de máxima potencia (MPPT, IGBT y MOSFET) dentro de los inversores, lo que provoca paradas costosas, equipos desechados y riesgos de incendio.

Física del arco AC frente a DC: el error fatal de usar SPD de AC en cadenas solares

Uno de los errores de instalación más peligrosos en el sector solar es instalar protectores de sobretensión de AC estándar en circuitos DC solares. La física fundamental de los arcos eléctricos en AC y en DC es totalmente distinta:

• Extinción del arco en el cruce por cero en AC: una tensión alterna oscila de forma natural y cruza por cero voltios dos veces por ciclo eléctrico (cada 10 milisegundos en una red de 50 Hz). Cuando una varistancia de AC se degrada o sufre embalamiento térmico, el desconectador mecánico de resorte interno se separa y el mini arco resultante se extingue de forma natural al pasar la tensión por cero.
• Arco DC sostenido: la corriente continua producida por los conjuntos fotovoltaicos mantiene un potencial continuo e ininterrumpido, sin caída de tensión periódica. Cuando un desconectador de AC estándar intenta abrirse bajo una tensión DC continua (por ejemplo 800 V o 1000 V DC), el aire ionizado forma un arco de plasma continuo. Al no haber cruce por cero, el arco sigue quemando con intensidad a temperaturas superiores a $3,000^\circ\text{C}$, inflamando rápidamente las carcasas plásticas circundantes y provocando incendios catastróficos en la caja de conexiones.

Los protectores de sobretensión DC de la serie YMPV de YOMIN están diseñados específicamente para cumplir la IEC 61643-31 y la EN 50539-11 (protectores de sobretensión de baja tensión para instalaciones fotovoltaicas). Incorporan desconectadores térmicos de resorte de alta velocidad, equipados con campos magnéticos de soplado permanentes y placas apagaarcos que estiran, enfrían y extinguen con fuerza los arcos DC en milisegundos.

La arquitectura de topología en Y: protección segura contra dobles fallos a tierra

Los protectores de sobretensión tradicionales de dos elementos se conectan directamente entre DC+ y tierra, y entre DC- y tierra. En los conjuntos solares, un sistema sin puesta a tierra que opera a alta tensión puede sufrir un fallo a tierra simple sin disparar la protección principal. Si un SPD común sufre una avería de varistancia en esa condición, se produce un cortocircuito catastrófico fase-tierra-fase.

Para eliminar este modo de fallo, los SPD DC de YOMIN emplean la avanzada configuración de topología en Y, compuesta por tres varistancias de óxido metálico (MOV) de alta energía conectadas en formación «Y»:

Esta configuración en Y garantiza que, incluso ante una perforación del aislamiento o una degradación grave de un MOV en una rama, las dos varistancias restantes sigan bloqueando el paso de corriente continua, evitando bucles de cortocircuito y eliminando el riesgo de incendio.

Dimensionar los parámetros de tensión y corriente para sistemas de 1000 V y 1500 V

Para asegurar una protección adecuada sin envejecimiento prematuro de las varistancias, los ingenieros deben dimensionar dos parámetros principales:

1. Tensión de servicio continua máxima ($U_{cpv}$): la tensión de servicio continua del SPD debe superar la tensión máxima en circuito abierto ($V_{oc}$) de la cadena solar a las temperaturas ambiente invernales más bajas previstas ($V_{oc,\text{max}} = V_{oc,\text{STC}} \times [1 + \beta \times (T_{\text{min}} - 25)]$). Como regla de diseño fundamental, $U_{cpv}$ debe dimensionarse al menos 1,2 veces $V_{oc,\text{max}}$. Para cadenas residenciales y comerciales de 1000 V, elija $U_{cpv} = 1000\text{V DC}$; para instalaciones de 1500 V a escala de utility, especifique $U_{cpv} = 1500\text{V DC}$.
2. Corrientes nominales de descarga ($I_n$ y $I_{\text{max}}$): para SPD de tipo 2 instalados en cajas de conexiones de cadena o inversores, especifique una corriente nominal de descarga ($I_n$) de al menos 20 kA (onda 8/20 µs) y una capacidad máxima de descarga ($I_{\text{max}}$) de 40 kA por polo, para garantizar una larga vida útil frente a transitorios repetitivos inducidos por rayos.