Proteger su sistema eléctrico y solar de las sobretensiones

Los sistemas de carga de vehículos eléctricos y las instalaciones solares fotovoltaicas se enfrentan a un perfil de riesgo de sobretensión diferente al de las cargas eléctricas convencionales. El flujo de potencia bidireccional, la conversión de CC-AC frecuente y la electrónica de potencia densa hacen que estos sistemas sean sensibles tanto a las perturbaciones de la red externa como a los transitorios generados internamente. La protección efectiva depende del uso coordinado y en capas de un dispositivo de protección contra sobretensiones en las zonas de CC y CA, no en la dependencia de un solo punto de defensa.

Por qué los sistemas EV y Solar enfrentan un mayor riesgo de sobretensión

Los sistemas solares fotovoltaicos están expuestos en el lado de CC de una manera que la mayoría de las instalaciones eléctricas no lo están. Los cables de cadena PV largos actúan como antenas para sobretensiones de rápido aumento, mientras que los altos voltajes de funcionamiento de CC reducen el margen de error cuando aparece una tensión transitoria. Incluso sin la participación directa de rayos, las sobretensiones inducidas y relacionadas con el cambio pueden alcanzar niveles dañinos.

Los inversores se sientan en el centro de este riesgo. Conmuta continuamente entre la entrada de CC y la salida de CA utilizando semiconductores de potencia de alta frecuencia. Estos dispositivos son eficientes pero implacables. Los picos de voltaje repetitivos aceleran el desgaste del aislamiento, degradan las uniones de semiconductores y reducen la vida útil mucho antes de que se produzca una falla catastrófica.

Los cargadores EV agregan otra capa de vulnerabilidad. Desde la perspectiva de la red, un cargador EV no es una carga pasiva. Es un sistema de conversión de potencia controlado con rectificadores, condensadores de enlace de CC, lógica de control e interfaces de comunicación. Los eventos de conmutación de red, fallas de servicios públicos o operaciones de gran carga cercanas pueden inyectar perturbaciones que se propagan directamente a estas etapas sensibles.

Crucialmente, muchos eventos dañinos no son dramáticos. La conmutación de rutina, el compromiso del banco de condensadores o la conmutación de inversores pueden generar sobretensiones que acumulan estrés con el tiempo. Este recordatorio importa porque las estrategias de protección deben abordar los transitorios frecuentes y moderados, no solo los extremos raros.

Estrategia de protección contra sobretensiones para sistemas solares fotovoltaicos

La protección contra sobretensiones en las instalaciones solares debe ser abordada por las zonas del sistema en lugar de los componentes individuales. Cada zona tiene un perfil de exposición diferente y requiere un rol de protección específico.

Protección del lado de CC entre cadenas de PV e inversor

El lado de CC de un sistema fotovoltaico se energiza continuamente durante el día y, a menudo, funciona a cientos o miles de voltios. Un SPD de CC seleccionado correctamente instalado entre el conjunto PV y el inversor proporciona una ruta controlada para que la energía transitoria se desvíe de las entradas del inversor.

Puntos clave a tener en cuenta:

• Los circuitos de CC experimentan voltaje sostenido, por lo que el SPD debe diseñarse específicamente para el comportamiento de CC.
  
• La longitud del cable y el enrutamiento aumentan la exposición a los transitorios inducidos.
  
• La protección cercana al inversor limita la tensión residual que llega a la electrónica sensible.
  

A Dispositivo de protección contra sobretensiones Para los circuitos de paneles solares no se trata de detener las sobretensiones sino de limitar el voltaje a un nivel que el inversor puede tolerar repetidamente.

Protección de lado de CA en la salida del inversor

Una vez que la energía se convierte en CA, la salida del inversor queda expuesta a perturbaciones originadas por la red. Los eventos de conmutación aguas arriba, fallas de servicios públicos o cargas industriales cercanas pueden introducir sobretensiones que viajan de regreso al inversor.

Un SPD de CA instalado en la salida del inversor o la interfaz de distribución principal sirve para sujetar estas sobretensiones antes de que enfatizan la etapa de salida del inversor y el enlace de CC interno. Esto es especialmente importante en sistemas atados a la red donde la potencia fluye en ambas direcciones dependiendo de las condiciones de funcionamiento.

Por qué es importante la coordinación entre CC y SPD AC

Los dispositivos de lado de CC y de CA no funcionan de forma independiente. La mala coordinación puede conducir a un intercambio de energía desigual, estrés excesivo en un dispositivo o un voltaje residual elevado que llega al inversor.

Una buena coordinación asegura:

• El SPD del lado de CC gestiona los transitorios originados por arreglos.
  
• El SPD del lado de AC maneja las perturbaciones originadas en la red.
  
• Los voltajes residuales se reducen progresivamente a medida que las sobretensiones se propagan a través del sistema.
  

Función del dispositivo de protección contra sobretensiones tipo 2 en instalaciones solares

En la mayoría de las instalaciones fotovoltaicas fijas, un dispositivo de protección contra sobretensiones tipo 2 es apropiado para ubicaciones de CC y CA. Estos dispositivos están diseñados para manejar la energía transitoria repetitiva asociada con los efectos de conmutación y rayos indirectos sin requerir la capacidad de descarga extrema reservada para los escenarios de entrada de servicio.

Por qué el Tipo 3 solo se usa aguas abajo para la electrónica

Los dispositivos Tipo 3 están diseñados para sobretensiones residuales de baja energía y nunca deben instalarse como la única medida de protección. En los sistemas solares, pueden usarse aguas abajo para proteger el monitoreo de interfaces de comunicación o electrónica, pero solo cuando la protección aguas arriba ya limita la energía de sobretensión.

Estrategia de protección contra sobretensiones para sistemas de carga de vehículos eléctricos

Los sistemas de carga de EV deben analizarse desde una perspectiva de flujo de potencia, comenzando en la conexión a la red y terminando en la interfaz del vehículo.

Grid a panel de distribución al cargador EV

Las sobretensiones suelen entrar a través del suministro de CA. Un SPD de CA en el panel de distribución que alimenta el cargador EV reduce la amplitud de los transitorios entrantes. Esta es la primera capa de defensa y es especialmente importante donde los cargadores están conectados a carreras largas de alimentación o equipos al aire libre.

Sensibilidad de la electrónica de potencia interna

Dentro del cargador, la CA se rectifica a CC, se procesa a través de las etapas de enlace de CC y se regula mediante dispositivos de conmutación de alta velocidad. Estas etapas son sensibles a la sobretensión, particularmente a los picos repetitivos que degradan los condensadores y los semiconductores con el tiempo.

Sin limitación de voltaje aguas arriba, los componentes internos se ven obligados a absorber el estrés que nunca fueron diseñados para manejar.

Exposición del circuito de comunicación y control

Los cargadores EV modernos incluyen interfaces de comunicación para la gestión de carga, facturación y coordinación de vehículos. Estos circuitos de bajo voltaje son altamente susceptibles a las sobretensiones residuales que pasan por etapas de potencia.

Los dispositivos de tipo 3 pueden utilizarse internamente o en las interfaces de circuito de control para limitar estos voltajes residuales, pero dependen completamente de la protección de subida para funcionar correctamente.

Cuando el Tipo 2 es Obligatorio

En la mayoría de las instalaciones de carga de vehículos eléctricos, especialmente en entornos comerciales y de flota, Dispositivo de protección contra sobretensiones tipo 2 Las unidades en los paneles de suministro no son opcionales. La combinación de conmutación frecuente, alta utilización y tiempo de actividad crítica exige una limitación de sobretensión predecible.

Diferencias residenciales, comerciales y de flota

Los cargadores residenciales a menudo comparten paneles con otras cargas domésticas, lo que aumenta la exposición a los transitorios de conmutación interna. Las instalaciones comerciales enfrentan mayores corrientes de falla y la interacción de la red. La carga de flotas introduce el cambio de carga simultáneo entre múltiples cargadores, aumentando las perturbaciones generadas internamente. Cada contexto refuerza la necesidad de una protección coordinada a nivel de panel en lugar de depender únicamente de la electrónica local.

Coordinación de SPD de CA y CC en sistemas híbridos

Los sistemas híbridos que combinan generación fotovoltaica, almacenamiento de energía y carga de vehículos eléctricos presentan desafíos de coordinación únicos.

Los SPD de CA y los SPD de CC no son intercambiables. Los circuitos de CC mantienen el voltaje de forma continua, mientras que los circuitos de CA pasan a través de cruces por cero. Los dispositivos diseñados para un entorno pueden fallar prematuramente o comportarse impredeciblemente en el otro.

La energía de sobretensión también se propaga de manera diferente. En los circuitos de CC, la energía puede persistir más tiempo, aumentando el estrés térmico en los componentes. En los sistemas de CA, la energía se distribuye entre fases y se interrumpe periódicamente por cruces de cero en forma de onda.

La coordinación incorrecta a menudo conduce a que un dispositivo absorba más energía de la que se pretendía. Esto da como resultado una degradación prematura y una falsa confianza en la protección del sistema. La limitación de voltaje progresiva aborda esto al garantizar que cada etapa SPD reduzca la amplitud de sobretensión paso a paso, en lugar de obligar a un solo dispositivo a hacer todo el trabajo.

En los sistemas híbridos, esto significa:

• Los SPD de CC gestionan las perturbaciones del lado de la batería y de la batería.
  
• Los SPD de CA gestionan las perturbaciones de la red y del lado de la carga.
  
• Los dispositivos descendentes solo manejan residuos de baja energía.
  

Rendimiento de conexión a tierra, unión y sobretensión (no código, práctico)

La calidad de puesta a tierra afecta directamente el rendimiento de cualquier dispositivo de protección contra sobretensiones. Un SPD no elimina la energía de sobretensión. lo desvía. Si la trayectoria de desviación tiene una alta impedancia, el voltaje sube en otras partes del sistema.

La mala unión entre los recintos del equipo, las estructuras de montaje y los conductores de puesta a tierra crea un potencial desigual durante un evento de sobretensión. Este potencial desigual hace hincapié en el aislamiento y las interfaces electrónicas, incluso cuando hay SPD.

En términos prácticos:

• Las conexiones de puesta a tierra rectas y cortas mejoran el tiempo de respuesta.
  
• La unión constante reduce los voltajes diferenciales entre los componentes del sistema.
  
• Los SPD no pueden compensar las rutas de puesta a tierra mal diseñadas.
  

Centrarse en la puesta a tierra como parte del diseño del sistema, no como una ocurrencia tardía, mejora la efectividad de cada capa protectora.

Cuadro comparativo

Errores de diseño comunes en EV y protección contra sobretensiones solares

Un error frecuente es confiar en un solo SPD para proteger todo un sistema. Este enfoque ignora cómo la energía de sobretensión se distribuye a través de diferentes conductores y voltajes.

Otro problema es descuidar la protección del lado de CC en los sistemas fotovoltaicos. Proteger solo la salida de CA deja al inversor expuesto a transitorios originados en arreglo que nunca llegan a la interfaz de red.

Tratar cargadores EV como cargas simples también es problemático. Los cargadores moldean activamente el flujo de potencia y generan perturbaciones de conmutación interna que requieren limitación de voltaje aguas arriba.

Finalmente, la instalación de dispositivos Tipo 3 sin protección ascendente da una falsa sensación de seguridad. Estos dispositivos no están diseñados para manejar la energía de sobretensión primaria y se degradarán rápidamente cuando se apliquen mal.

Consideraciones de fiabilidad y mantenimiento a largo plazo

Los SPD se degradan gradualmente. Cada evento de sobretensión reduce ligeramente su capacidad para desviar energía. Esta degradación es normal y predecible, pero solo si se reconoce durante la planificación del sistema.

Se espera que las instalaciones de vehículos eléctricos y solares funcionen durante décadas. Las estrategias de protección deben incluir intervalos de inspección, monitoreo de estado y reemplazo planificado según el nivel de exposición en lugar de esperar a la falla.

La protección predecible admite tiempo de actividad predecible. Esto importa más en la carga de vehículos eléctricos y la generación solar que en muchas otras aplicaciones eléctricas porque el tiempo de inactividad afecta directamente la disponibilidad de energía y la planificación operativa.

Conclusión

Los sistemas de carga de vehículos eléctricos y las instalaciones solares fotovoltaicas exigen estrategias de protección contra sobretensiones coordinadas que reflejen la topología de su sistema y el comportamiento operativo. El uso efectivo de un dispositivo de protección contra sobretensiones depende de la colocación correcta, la coordinación entre los entornos de CA y CC y las expectativas realistas sobre el rendimiento a lo largo del tiempo.

La protección en estos sistemas no se trata de la prevención absoluta. Se trata de controlar el riesgo, limitar el estrés en la electrónica sensible y apoyar la confiabilidad a largo plazo a través del diseño de sistemas reflexivo.

Preguntas frecuentes