¿Cómo protege el interruptor automático para circuitos fotovoltaicos los paneles fotovoltaicos frente a riesgos eléctricos?

Funciones protectoras fundamentales de un interruptor automático para circuitos fotovoltaicos

Protección contra sobrecorrientes y cortocircuitos mediante disparo térmico-magnético

Un interruptor de circuito fotovoltaico (PV) cuenta con un sistema dual térmico-magnético, que puede responder tanto a sobrecargas a largo plazo como a fallos repentinos a corto plazo. Por ejemplo, si circula una corriente excesiva por el sistema durante demasiado tiempo —como ocurre cuando un panel recibe una intensidad de luz solar demasiado elevada—, la parte térmica del interruptor inicia la apertura del circuito mediante la deformación y ruptura de una lámina metálica. Por otro lado, la parte magnética del interruptor responde ante una anomalía cuando la corriente supera los valores nominales para los que fue diseñado el sistema; en este caso, la corriente excede el valor nominal en tres veces. La bobina magnética se activa y abre los contactos del circuito de modo que no puedan circular corrientes de falla de forma peligrosa a través de una avería. Esta respuesta rápida evita daños en el aislamiento, sobrecalentamientos y fuentes de ignición cercanas a materiales combustibles (incluidos los cables fotovoltaicos). La característica principal de este interruptor es que difiere de los fusibles, ya que puede reiniciarse: es decir, los interruptores pueden reactivarse y volver a funcionar, lo que reduce el tiempo de inactividad del sistema en este tipo de instalaciones fotovoltaicas. En este sentido, los interruptores PV resultan especialmente beneficiosos para plantas solares comerciales a gran escala, donde la disponibilidad del sistema es muy crítica.

Interrupción de la corriente de fallo en CC: Los riesgos de utilizar interruptores automáticos estándar de CA en sistemas fotovoltaicos

Los interruptores automáticos estándar de corriente alterna (CA) no son eficaces en aplicaciones fotovoltaicas porque no pueden extinguir eficazmente los arcos de corriente continua (CC). La energía de CA vuelve naturalmente a cero entre 100 y 120 veces por segundo, lo que provoca la extinción del arco. En los sistemas de CC, no existen estos cruces por cero; por lo tanto, los arcos no se detienen por sí solos. De hecho, estudios demuestran que los interruptores automáticos estándar de CA son peores que los interruptores específicos para CC en cuanto a la reinicialización del arco en forma de pico: presentan una tasa de reinicialización del 78 %. Los arcos confinados pueden alcanzar temperaturas de hasta 6.000 °F, suficientemente altas como para fundir barras colectoras de cobre. Por esta razón, los interruptores automáticos estándar de CA no son adecuados en aplicaciones solares; se requieren interruptores específicos para CC, como los que incorporan cámaras de extinción de arco. Estas cámaras están diseñadas de modo que el arco no solo se extinga mediante el principio de repulsión electromagnética, sino también para aumentar su longitud —enfriándolo antes de que se reinicie—. Esto es una necesidad para garantizar la protección de la inversión en proyectos a escala de red eléctrica con tensiones de 600 a 1500 V.

Supresión de arcos de corriente continua (CC): cómo abordar el problema de la ausencia de cruce por cero en circuitos fotovoltaicos

Cómo los interruptores automáticos para circuitos fotovoltaicos mitigan los arcos

Dado que la tensión de corriente continua (CC) no presenta un punto cero natural, cuando ocurre una falla, las tensiones de CC provocan arcos ininterrumpidos y, en el 80 % de los casos, los arcos son ininterrumpidos (NREL, 2023). Estos arcos pueden calentar los conductores a temperaturas superiores a 3000 \degree Celsius, lo que representa un riesgo significativo de incendio. Para prevenirlo, los interruptores automáticos para circuitos fotovoltaicos incorporan componentes denominados cámaras magnéticas de extinción de arco, que generan un campo magnético controlado para capturar, alargar y enfriar el arco. La eficacia de una cámara magnética de extinción de arco depende de su capacidad para subdividir el arco en segmentos más pequeños y extinguirlo en cuestión de milisegundos. Esto proporciona protección contra el descontrol térmico y seguridad operacional en aplicaciones de alta tensión en corriente continua.

El misterio que rodea los sistemas de corriente continua (CC) de alta tensión y los interruptores automáticos

A medida que aumenta el voltaje del sistema de corriente continua (CC), también lo hace la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos (FV); sin embargo, la energía asociada al arco eléctrico, que puede producirse, también aumenta. Por ejemplo, los sistemas de CC a 1500 V pueden generar hasta 15 veces más energía de arco que los sistemas de CC a 400 V. Esto nos plantea un desafío único: cuanto mayor es la eficiencia, más rápido debemos eliminar la falla y más robustos deben ser los sistemas que implementemos. Actualmente, los interruptores automáticos para circuitos FV son capaces de mitigar estos problemas, y varias nuevas funciones relacionadas con el cumplimiento de la norma UL 2024 —que analizaremos a continuación— han posibilitado esta tecnología rediseñada de interruptores automáticos para circuitos FV.

Tiempos de disparo ultrarrápidos (3 ms o menos) y la extinción asociada del arco eléctrico (espacios entre los contactos del interruptor y cámaras de extinción de arco de múltiples etapas están diseñados para mejorar la extinción del arco al interrumpir un circuito).

Los ajustes de disparo del interruptor automático con respecto a la tensión de corriente continua y a las capacidades de extinción del arco también se han modificado para adaptarse a la tensión utilizada dentro del sistema.

Característica de protección: Sistemas de 400 V / Sistemas de 1500 V / Diferencia crítica

Velocidad de disparo: 10 ms / ≤3 ms / Respuesta un 70 % más rápida

Divisiones del apagador de arco: 8 a 10 / 15 a 20 / Un 100 % más de divisiones

Distancia entre contactos: 10 mm / 25 mm / Distancia un 150 % mayor

Estas características de diseño reducirán considerablemente o eliminarán el «arco incontrolado», una condición de fallo en sistemas de alta tensión que puede provocar un arco sostenido y dañino, incluso después de que el interruptor automático haya actuado. Esto confirma definitivamente por qué los interruptores automáticos convencionales de corriente alterna no pueden utilizarse en sistemas fotovoltaicos de alta tensión.

Seguridad a nivel de cadena: cómo evitar corrientes inversas e incendios en matrices fotovoltaicas en paralelo

El peligro que representa la corriente inversa ante sombreado y fallo de módulos, y cómo se controlan los fallos en cascada mediante interruptores automáticos para sistemas fotovoltaicos.

Cuando se produce sombreado en los paneles solares o surgen fallos en los módulos en instalaciones en *paralelo*, aparecen ciertos fenómenos eléctricos inesperados. Al centrarse en una cadena afectada: esta comienza a comportarse de forma distinta al resto. Básicamente, drena energía en lugar de generarla. La consecuencia de este comportamiento es bastante preocupante: la energía que fluye en sentido inverso provoca lo que se denomina un *punto caliente*. Este es uno de los fenómenos más peligrosos en los sistemas fotovoltaicos y es ampliamente conocido por provocar la autoignición de los materiales aislantes de la cadena afectada. Si no se atiende, las consecuencias de un único fallo en un conjunto de cadenas pueden dar lugar a fallos en cascada en toda la cadena. Este comportamiento ha sido ampliamente documentado en la literatura. La investigación del NREL publicada el año pasado documentó que los costes derivados de las consecuencias de fallos no mitigados en cadenas de paneles fotovoltaicos pueden llegar a ser hasta tres veces superiores a los costes de los propios fallos. Esta investigación constituye una clara muestra de lo rápidamente que las cosas pueden volverse incontrolables.

Los interruptores de circuito fotovoltaico identifican problemas y evitan que se propaguen al detectar la dirección de la corriente. Si la corriente inversa supera el 10 % de la potencia nominal de la cadena, unos sensores magnéticos integrados patentados se activan en milisegundos y desconectan la alimentación de la sección defectuosa, manteniendo intacto el resto del sistema. Además, estos interruptores cuentan con diseños modulares especiales que rompen el arco eléctrico y lo contienen fuera del interruptor, evitando así la formación del peligroso plasma de corriente continua que podría provocar un incendio. Al limitar los problemas a una sola cadena, estos dispositivos ayudan a las instalaciones solares a evitar daños costosos en los equipos, mantener operaciones seguras y, lo más importante, impedir que los incendios se propaguen dentro de instalaciones solares a gran escala.

Detección integrada de fallos a tierra y cumplimiento del Código Eléctrico Nacional (NEC): Los interruptores automáticos para circuitos fotovoltaicos (PV) incorporan sistemas de detección de fallos a tierra que ayudan a proteger al personal frente a corrientes de fuga peligrosas, capaces de provocar electrocuciones e incendios. Estos dispositivos supervisan de forma continua los conductores internos y desconectan el circuito cuando la corriente de fallo a tierra supera el umbral de 6 mA establecido en el Artículo 690 del NEC. Dichos interruptores automáticos son capaces de detectar y desconectar fallos a tierra en corriente continua (CC), que resultan más peligrosos que otros tipos de fallos a tierra. Los fallos a tierra se producen cuando la humedad penetra en el sistema o cuando falla el aislamiento del sistema y se generan dichos fallos. La mayoría de los interruptores automáticos domésticos de corriente alterna (CA) no pueden detectar fallos a tierra debido a su menor sensibilidad y al mecanismo de conmutación, que no permite la interrupción del circuito ante corrientes de fallo en CC. La sensibilidad y la capacidad de interrupción deben cumplir los requisitos establecidos en las Normas NEC 2020, especialmente en la Sección 690.41(B). Los nuevos interruptores automáticos para circuitos PV superan los requisitos anteriores gracias a una combinación de detección en tiempo real de fallos y un dispositivo de disparo magnético para CC adecuado. Esta combinación, junto con el circuito de puesta a tierra integrado de baja impedancia mediante el conductor de puesta a tierra de equipos (EGC), garantiza un alto grado de fiabilidad y rapidez en la eliminación de fallos en numerosas instalaciones solares de toda Norteamérica. Preguntas frecuentes (FAQ) ¿Qué diferencia a un interruptor automático para circuitos PV de un interruptor automático convencional? A diferencia de los interruptores automáticos convencionales de CA, que no son capaces de ofrecer protección contra arcos persistentes en CC —y que, por tanto, pueden provocar incendios y daños—, los interruptores automáticos para circuitos PV sí ofrecen dicha protección contra arcos persistentes en CC, lo que les permite funcionar correctamente en sistemas fotovoltaicos.

¿Qué función protectora desempeñan las cámaras magnéticas de extinción de arcos?

Las cámaras magnéticas de extinción de arcos son fundamentales para interrumpir y enfriar arcos de corriente continua (CC) sostenidos y prevenir la inestabilidad térmica. Aportan seguridad y fiabilidad a los sistemas fotovoltaicos (PV), incluso a altos voltajes como 1500 V.

¿Qué implican los sistemas de CC de mayor voltaje?

Un mayor voltaje en los sistemas de CC implica una mayor eficiencia, pero también una mayor energía del arco. Esto genera la necesidad de curvas de disparo más rápidas y una extinción más potente para minimizar daños y garantizar la seguridad.

¿Qué hacen los interruptores automáticos para sistemas fotovoltaicos respecto a las corrientes inversas?

Los interruptores automáticos para sistemas fotovoltaicos detectan una corriente inversa y, mediante sensores magnéticos, abren el circuito únicamente en la sección afectada, evitando así un efecto dominó y un incendio.

¿Cómo cumplen estos interruptores automáticos con las normas de la NEC?

Para cumplir con las normas de la NEC, los interruptores automáticos para sistemas fotovoltaicos están diseñados con interruptores automáticos de falla a tierra que controlan y detectan fallas en CC y corrientes de fuga, previniendo así descargas eléctricas e incendios.