Cómo proteger una instalación fotovoltaica contra los rayos: lazos, DPS y puesta a tierra

Una instalación fotovoltaica está expuesta tanto a los efectos directos de una descarga atmosférica como a las sobretensiones que pueden producirse cuando un rayo impacta en las proximidades.

Por eso, proteger correctamente una instalación fotovoltaica no consiste únicamente en instalar una buena puesta a tierra. Es necesario analizar el riesgo, evitar configuraciones que favorezcan las sobretensiones inducidas y seleccionar correctamente las protecciones contra sobretensiones o DPS.

En este artículo vamos a analizar los principales criterios para proteger una instalación fotovoltaica frente a los rayos, prestando especial atención a cuatro aspectos:

• Qué factores influyen en la probabilidad de que un rayo alcance una determinada zona.
• Por qué la puesta a tierra de los paneles no hace que sea más probable que reciban un rayo.
• Cómo evitar los lazos de inducción en los circuitos fotovoltaicos.
• Cómo seleccionar y colocar correctamente los DPS de corriente continua y alterna.

¿Qué hace que un rayo alcance una determinada zona?

Cuando hablamos de protección contra rayos es importante diferenciar entre la probabilidad de que una descarga alcance una instalación y las consecuencias que tendrá esa descarga sobre ella.

La probabilidad de impacto está relacionada, entre otros factores, con la altura de los elementos, su entorno y la geometría de la instalación. Por tanto, colocar una puesta a tierra en la estructura de los paneles no convierte por sí mismo a esos paneles en un punto de impacto preferente.

Altura

Los elementos elevados respecto a su entorno presentan una mayor exposición. Esto es especialmente importante cuando los módulos fotovoltaicos se encuentran sobre cubiertas o estructuras elevadas.

Entorno

La posición del edificio respecto a otros edificios, árboles, estructuras y elementos elevados también modifica la exposición relativa a las descargas atmosféricas.

Geometría

La forma y disposición de las estructuras también son relevantes. Estos factores se tienen en cuenta en los métodos de evaluación del riesgo y en los sistemas de protección contra el rayo.

¿Poner a tierra los paneles aumenta el riesgo de recibir un rayo?

Esta es una de las dudas más habituales cuando se habla de protección frente a rayos en instalaciones fotovoltaicas.

La puesta a tierra de los paneles y de sus estructuras no tiene como objetivo aumentar o reducir por sí misma la probabilidad de que un rayo impacte sobre ellos.

Su función es proporcionar un camino controlado para las corrientes de defecto y favorecer la equipotencialidad de la instalación.

En otras palabras, hay que diferenciar dos cuestiones:

• Probabilidad de impacto: depende fundamentalmente de las características físicas y del entorno.
• Consecuencias del impacto o de una sobretensión: dependen en gran medida de cómo esté diseñada la instalación, sus conexiones equipotenciales y sus protecciones.

Por este motivo, la estructura y los elementos metálicos de una instalación fotovoltaica deben conectarse correctamente al sistema de protección y equipotencialidad previsto para la instalación.

¿Cómo reducir la exposición frente a los rayos?

Cuando el análisis de riesgo determina que es necesario un sistema específico de protección contra el rayo, puede recurrirse a una instalación externa de protección contra el rayo.

La necesidad de este tipo de protección depende de las características del edificio, su ubicación y el nivel de riesgo existente. En España, estos aspectos están relacionados con la normativa aplicable y, en determinados casos, con los criterios establecidos en el CTE DB-SUA 8.

Cuando existe un sistema externo de protección contra el rayo, la coordinación con las protecciones contra sobretensiones de la instalación eléctrica adquiere especial importancia.

El objetivo no es crear sistemas de tierra completamente aislados entre sí, sino conseguir una correcta equipotencialidad y controlar los posibles caminos de corriente.

Los lazos de inducción: uno de los grandes enemigos de una instalación FV

Un rayo que impacta cerca de una instalación puede generar un campo electromagnético extremadamente intenso.

Este campo puede inducir tensiones importantes en los conductores de la instalación, incluso aunque el rayo no impacte directamente sobre los paneles.

Por eso es fundamental evitar la formación de grandes lazos de cableado.

En los circuitos de corriente continua de una instalación fotovoltaica conviene mantener los conductores positivo y negativo próximos entre sí, reduciendo todo lo posible el área encerrada por el circuito.

También es importante que el conductor de protección o tierra discurra de forma adecuada y próxima a los conductores activos cuando corresponda, evitando recorridos innecesariamente separados.

Además de reducir las tensiones inducidas, mantener recorridos cortos también ayuda a disminuir la caída de tensión y la tensión residual que deberán soportar los equipos protegidos.

DPS: tipos 1, 2 y 3

Los dispositivos de protección contra sobretensiones, conocidos como DPS o SPD, permiten limitar las sobretensiones que pueden llegar a los equipos eléctricos y electrónicos.

De forma general podemos distinguir:

• Tipo 1: destinado a soportar y derivar corrientes asociadas a descargas de gran energía, especialmente cuando existe un sistema externo de protección contra el rayo.
• Tipo 2: utilizado habitualmente para proteger las instalaciones frente a sobretensiones transitorias inducidas y de conmutación.
• Tipo 3: proporciona una protección más próxima al equipo que se desea proteger y se utiliza como complemento de las etapas anteriores.

En una instalación fotovoltaica debemos considerar por separado los circuitos de corriente continua y de corriente alterna. Un DPS diseñado para AC no puede utilizarse indistintamente en el lado DC de los paneles.

¿Cómo elegir un DPS para los paneles fotovoltaicos?

En el lado de corriente continua hay varios parámetros fundamentales que debemos comprobar antes de seleccionar el DPS.

Uno de los más importantes es la tensión máxima de funcionamiento del DPS para aplicaciones fotovoltaicas, habitualmente indicada como UcPV.

Para determinarla correctamente no debemos utilizar únicamente la tensión nominal de los módulos. Es necesario considerar la tensión de circuito abierto del campo fotovoltaico y corregirla teniendo en cuenta la temperatura mínima prevista.

Por ejemplo, si tenemos una instalación con:

• 8 módulos.
• Voc de 47 V por módulo.
• Coeficiente de corrección por temperatura de 1,18.

La tensión máxima estimada sería:

8 × 47 V × 1,18 ≈ 444 V

En este caso, habría que seleccionar un DPS fotovoltaico cuya tensión de funcionamiento sea adecuada para esa tensión máxima, utilizando el escalón normalizado inmediatamente superior que corresponda.

Además de UcPV, debemos comprobar parámetros como la corriente nominal de descarga, la corriente máxima de descarga y la tensión residual o Up.

El efecto “salto de rana” y la puesta a tierra de los paneles

Una instalación fotovoltaica debe diseñarse de forma que las diferentes partes metálicas y eléctricas permanezcan correctamente conectadas y equipotenciales.

La puesta a tierra de los marcos y estructuras de los módulos forma parte de este planteamiento.

En el lado DC debemos evitar recorridos innecesariamente separados de los conductores positivo, negativo y protección. El objetivo es minimizar las superficies de los lazos y proporcionar caminos controlados para las posibles corrientes transitorias.

Una disposición habitual puede incluir el circuito fotovoltaico, las protecciones DC, el DPS y la entrada al regulador MPPT o inversor, manteniendo recorridos compactos y correctamente protegidos.

Puesta a tierra y equipotencialidad

La protección frente a sobretensiones no debe analizarse de forma independiente de la puesta a tierra.

La estructura metálica de los paneles, los equipos, los cuadros y los diferentes elementos conductores deben integrarse correctamente en el sistema de protección y equipotencialidad de la instalación.

En una instalación correctamente diseñada, el objetivo es evitar diferencias de potencial peligrosas y proporcionar caminos controlados para las corrientes transitorias.

También es importante prestar atención a la longitud de los conductores. En una sobretensión de frente muy rápido, incluso unos centímetros adicionales de conductor pueden introducir una tensión significativa debido a su impedancia.

Protección del lado AC

La protección no termina en los paneles fotovoltaicos.

El lado de corriente alterna también debe disponer de las protecciones adecuadas, teniendo en cuenta la configuración concreta de la instalación, la posición del inversor y la distribución eléctrica del edificio.

En función del esquema de la instalación pueden ser necesarios DPS en diferentes puntos, especialmente cuando existen distancias importantes entre cuadros y equipos.

La coordinación entre las diferentes etapas de protección es fundamental. Como criterio práctico, cuando la distancia entre protecciones es considerable, puede ser necesario instalar etapas adicionales o seguir las distancias de coordinación especificadas por el fabricante.

7 recomendaciones para proteger una instalación fotovoltaica frente a los rayos

Conclusión

Proteger una instalación fotovoltaica frente a los rayos no consiste simplemente en colocar una toma de tierra o instalar un DPS.

La protección eficaz requiere analizar conjuntamente la exposición de la instalación, la puesta a tierra y equipotencialidad, el recorrido de los conductores, los posibles lazos de inducción y la coordinación de las protecciones contra sobretensiones tanto en corriente continua como en corriente alterna.

Además, cuando existe un sistema externo de protección contra el rayo, la coordinación entre ambos sistemas adquiere todavía mayor importancia.

El objetivo final es reducir la exposición y, sobre todo, limitar las consecuencias que una descarga directa o cercana puede tener sobre la instalación y sus equipos.