SISTEMAS FOTOVOLTAICOS- SEGURIDAD
Energía Renovable - Nota de Fluke
Aunque gran parte de la población puede pensar que la radiación solar se transforma mágicamente en electricidad que alimenta todo tipo de equipos y dispositivos, los técnicos solares saben que hay mucho más detrás de esto.
En las instalaciones fotovoltaicas, la corriente es "salvaje" y no está limitada por sistemas electrónicos, lo que tiene implicaciones en cuanto a las averías de puesta a tierra ocultas y el tamaño de los cables, y exige un apagado rápido. Las medidas de control y las prácticas recomendadas para mitigar los riesgos varían cuando se trabaja con instalaciones fotovoltaicas en comparación con cualquier otro tipo de recurso de generación de energía.
Peligro 1. Descarga o electrocución por conductores con tensión
Al igual que con otros sistemas de generación de energía eléctrica, los sistemas fotovoltaicos presentan el riesgo de descarga y electrocución cuando la corriente atraviesa un camino no deseado por el cuerpo humano. Una corriente de tan solo 75 mA a través del corazón resulta letal. El cuerpo humano tiene una resistencia de unos 600 Ω. Según la ley de Ohm, la tensión (V) es igual a la corriente (I) multiplicada por la resistencia (R), por lo que V = I*R.
Para calcular la cantidad de corriente que atravesaría el cuerpo de una persona si se expone a 120 V, solo hay que dividir 120 V entre 600 Ω (I = V/R), lo que equivale a 0,2 A o 200 mA. Esto supone más de 2,5 veces el límite letal de 75 mA, por lo que es fundamental protegerse a sí mismo y a sus trabajadores frente a este tipo de fenómenos.
Las descargas eléctricas suelen estar causadas por un cortocircuito resultante de cables y conexiones corroídos, cables sueltos y conexiones a tierra inadecuadas. Entre los principales lugares a la hora de buscar estas condiciones en un sistema fotovoltaico se encuentran la caja combinadora, los conductores del circuito de salida y de la fuente fotovoltaica, y el conductor de puesta a tierra del equipo. El conductor de puesta a tierra une todos los componentes metálicos (y, en última instancia, a tierra) a través del conductor del electrodo de puesta a tierra y el electrodo de puesta a tierra.
Medidas de control: Sistemas de apagado rápido
La energía producida por los sistemas de cadenas fotovoltaicas varía directamente con el sol. A fin de reducir el riesgo de descarga eléctrica para los técnicos y el personal de emergencias, necesitamos una forma de desconectar esas cadenas durante un cortocircuito o un corte de corriente. La Sección 690.12 del Código Eléctrico Nacional (NEC) de 2017 requiere el "apagado rápido" de los sistemas fotovoltaicos tanto dentro como fuera de los límites de la matriz fotovoltaica. De acuerdo con la sección 690.2 de dicho código, los límites de la matriz fotovoltaica son un conjunto integrado mecánicamente de módulos o paneles con una base y estructura de soporte, un rastreador y otros componentes que forman una unidad de producción de CC o CA. Esto incluye los conductores controlados ubicados dentro de los límites o hasta un metro (tres pies) desde el punto en el que penetran en la superficie del edificio.
A partir de 2019, el NEC hizo estos requisitos más estrictos al exigir lo siguiente:
- Los módulos y las piezas conductoras expuestas dentro de los límites de la matriz fotovoltaica se deben reducir a 80 V en 30 s.
- Los conductores situados fuera de los límites de la matriz deben limitarse a 30 V en 30 s.
Los dispositivos de apagado rápido deben estar situados en la desconexión del servicio o debe haber un interruptor de apagado rápido especial. Existe una excepción para los sistemas que se controlan mediante equipos electrónicos de potencia a nivel de módulo, como microinversores y optimizadores de potencia, que reducen la tensión. No es necesario que las matrices sin piezas conductoras expuestas y situadas a más de 2,5 m (8 pies) de las piezas conductoras con conexión a tierra expuestas cumplan los requisitos.
Además, muchas regiones de EE.UU. exigen que las matrices fotovoltaicas de los tejados tengan retranqueos que permitan a los bomberos acceder al sistema. Por ejemplo, el Código de Incendios Residenciales de California requiere que los módulos fotovoltaicos estén situados como mínimo a 90 cm (3 pies) de la cresta del tejado.
Peligro 2. Arcos eléctricos que generan incendios
Como sucede con cualquier sistema eléctrico, el fuego siempre es un peligro potencial. Quizás una de las causas más comunes son los fallos de arco eléctrico, que son descargas eléctricas de alta potencia entre dos o más conductores. El calor causado por esta descarga puede hacer que el aislamiento del cable se deteriore y, por tanto, provocar una chispa o un "arco" que provoque un incendio.
Los sistemas fotovoltaicos están sujetos a fallos de arco en serie causados por una interrupción en la continuidad de un conductor o fallos de arco en paralelo causados por corriente no intencionada entre dos conductores, a menudo debido a una avería de puesta a tierra.
Medidas de control: Interruptores de circuito de fallo de arco
Un fallo de arco puede provocar un cortocircuito o una avería de puesta a tierra, pero quizá no sea lo suficientemente potente como para activar un disyuntor o un interruptor del circuito de fallos de conexión a tierra (GFCI). Para proteger contra fallos de arco, debe instalar una toma de interruptor de circuito de fallo de arco (AFCI) o un disyuntor AFCI. Los AFCI detectan corrientes de arco peligrosas de bajo nivel, y apagan el circuito o la toma para reducir las posibilidades de que el fallo de arco produzca un incendio eléctrico.
La Sección 690.11 de NEC establece que los sistemas fotovoltaicos que funcionan a 80 V CC o más entre dos conductores cualesquiera estén protegidos por un AFCI fotovoltaico indicado o un componente de sistema equivalente. El sistema de protección debe ser capaz de detectar fallos de arco resultantes de un fallo en la continuidad prevista de un conductor, módulo de conexión u otro componente en los circuitos de CC del sistema fotovoltaico.
Peligro 3. Arco eléctrico que provoca explosiones
Las matrices fotovoltaicas a gran escala con niveles medios y altos de tensión son susceptibles a arcos eléctricos. Esto se da especialmente cuando un técnico comprueba si hay fallos en las cajas combinadoras bajo tensión en las que los circuitos de fuente fotovoltaica se combinan en paralelo para aumentar la corriente, y al comprobar los transformadores y los conjuntos de interruptores de media y alta tensión. Un arco eléctrico emite gases calientes y energía radiante concentrada que pueden multiplicar hasta por cuatro la temperatura de la superficie del sol y llegar a los 19.500 °C (35.000 °F). Se produce cuando hay una gran cantidad de energía disponible para un fallo de arco, tanto en conductores de CC como de CA.
El arco eléctrico es un problema en sistemas superiores a 400 V, por lo que tanto los inversores residenciales, que normalmente tienen una tensión de entrada máxima de 500 V, como los inversores a gran escala con un máximo de 1500 V, están en riesgo. Antes de la aparición de los sistemas de energía solar a gran escala, el arco eléctrico se consideraba únicamente un problema de CA, ya que la tensión de CC se limitaba a aplicaciones fuera de la red eléctrica en las que se utilizaban baterías de menos de 100 V. La Norma 70E de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) exige que se realice un análisis de riesgos de arco eléctrico y que se utilice equipo de protección individual (EPI) para sistemas de CC superiores a 100 V.
Medidas de control: Mitigación de la sección de CA y de CC
La mitigación de arcos eléctricos en sistemas fotovoltaicos se divide entre CC (antes del inversor) y CA (después del inversor). La mitigación del lado de CC para matrices solares de gran tamaño (100 kW o más) es especialmente importante en la caja combinadora, donde se combinan varias cadenas de paneles solares en paralelo para aumentar la corriente. Para reducir el potencial de arco eléctrico, los sistemas a gran escala pueden utilizar varios inversores de cadena que pueden conectar varias cadenas en paralelo, en lugar de utilizar uno o dos inversores centrales grandes que requieren cajas combinadoras. La mitigación del lado de CA incluye un conjunto de interruptores resistente a arcos, que redirige la energía del arco eléctrico a través de la parte superior de la carcasa, lejos del personal y del equipo.
Elija el equipo adecuado
Equipos que protegen al usuario
La protección de los trabajadores y del sistema fotovoltaico frente a riesgos eléctricos requiere el cumplimiento de las prácticas de trabajo seguras y la garantía de que el equipo está aprobado para soportar estos riesgos potenciales. Esto significa que todos los multímetros, cables de prueba y fusibles deben estar aprobados para la aplicación en la que esté trabajando. A continuación se indican algunas directrices básicas:
- Equipo adecuado para CAT: Elija un instrumento con la categoría de seguridad (CAT) y el nivel de tensión adecuados para su aplicación. El multímetro debe ser capaz de soportar niveles de tensión medios y picos de tensión altos y transitorios que puedan producir una descarga o un arco eléctrico. La pinza amperimétrica de verdadero valor eficaz Fluke 376 FC tiene una categoría CAT IV 600 V y CAT III 1000 V, por lo que es adecuada para sistemas fotovoltaicos pequeños, medianos y muchos a gran escala. Además, este instrumento puede comprobar corriente y tensión de CC y CA, lo que resulta útil para aplicaciones fotovoltaicas. También está equipado con funciones inalámbricas Fluke Connect™, lo que permite supervisar las medidas desde una distancia segura en su smartphone.
- Cuestiones acerca de una altitud elevada: Los equipos CAT III y IV deben utilizarse para sistemas fotovoltaicos a altitud elevada, ya que el aire se vuelve menos aislante y menos denso a medida que se asciende, lo que reduce su capacidad de refrigeración. Esto significa que la tensión de ruptura (la tensión mínima que provoca que un aislante sea eléctricamente conductivo) disminuye con la altitud. Por ejemplo, para un espacio de 1 cm entre conductores, la tensión de ruptura sería de 30 kV a nivel del mar, 1,2 kV a 15.000 m (50.000 pies) y 300 V a 45.000 m (150.000 pies).
- Cables de prueba de alta calidad: Seleccione cables de prueba con una categoría CAT que coincida o supere la CAT del multímetro digital.
- Sustitución de fusibles de alta energía: Sustituya siempre los fusibles de alta energía por piezas de la misma calidad y corriente. Estos fusibles están diseñados para mantener la energía generada por un cortocircuito eléctrico dentro de su carcasa. Son salvavidas y nunca deben sustituirse por fusibles genéricos más baratos.
- Sondas y accesorios para sondas: Utilice sondas retráctiles, cubiertas de punta de sonda o sondas con puntas más cortas para evitar que haya contacto entre metales accidentalmente y se provoque un cortocircuito
- Equipo de protección individual: Lleve el EPI adecuado, incluyendo ropa resistente a arcos eléctricos, guantes, viseras o gafas de seguridad, protección auditiva y calzado de cuero, según sea necesario para la tensión con la que esté trabajando. La Tabla 130.7(C)(15)(c) de la Norma 2018 NFPA 70E identifica una lista completa de categorías de EPI y la ropa adecuada resistente a arcos eléctricos para cada categoría.
Estos son solo los aspectos destacados de cómo trabajar de forma más segura al realizar tareas de mantenimiento en sistemas fotovoltaicos. Asegúrese de seguir todos los reglamentos y normativas de seguridad pertinentes, las instrucciones del fabricante y los procedimientos de seguridad de su empresa al realizar tareas de comprobación o mantenimiento en equipos eléctricos.
Fluke 393FC
La pinza amperimétrica de verdadero valor eficaz Fluke 393 FC CAT III 1500 V con iFlex está diseñada para instaladores de energía solar fotovoltaica y profesionales de mantenimiento que trabajan en entornos de alta tensión CC: Matrices fotovoltaicas, energía eólica, ferrocarriles eléctricos, bancos de baterías de centros de datos para sistemas de alimentación ininterrumpida. La pinza amperimétrica puede medir hasta 1500 V CC y 1000 V CA con cables de prueba, y hasta 999,9 A CC o CA a través de la mordaza. La sonda de corriente flexible iFlex incluida amplía las medidas de corriente de CA hasta 2500 A.
¿Cómo seleccionar el fusible correcto?
Un fusible no es más que eso, Sabemos que un fusible está hecho para abrirse cuando se supere un determinado nivel de corriente. Esto nos protege de descargas eléctricas e incendios causados por cables sobrecalentados. Sin embargo, algunos fusibles nos protegen de un peligro aún más grave. En este artículo se explican los peligros ocultos de realizar mediciones de tensión y corriente con un comprobador que no disponga de la protección de fusible que se diseñó para el comprobador; peligros que pueden causar quemaduras graves e incluso la muerte.
¿Por qué un comprobador necesita fusibles?
Hay gran variedad de comprobadores en el mercado, desde simples detectores de tensión hasta multímetros digitales muy sofisticados. Los comprobadores que realizan mediciones de tensión presentan una impedancia de entrada elevada que hace que sea poco probable una situación de sobrecorriente. Como resultado, las entradas de medición de tensión no suelen estar diseñadas con protección de fusible, sino con protección contra sobretensión. Sin embargo, si el mismo comprobador está diseñado también para medir la corriente, entonces son necesarios más fusibles. Las entradas de medición de corriente suelen emplear una derivación simple a través de la cual fluye la corriente medida. La resistencia de esta derivación es del orden de 0.01 ohmios. A eso hay que añadir la resistencia de los cables de prueba (aproximadamente, 0.04 ohmios), lo que nos da un cortocircuito de menos de 0.1 ohmios. Esta resistencia es adecuada cuando el cortocircuito tiene lugar en serie con otra carga para medir la corriente del circuito. No obstante, la historia es completamente distinta si se coloca este circuito en una fuente de tensión, como la toma de corriente del salón de una casa. Este es un error muy habitual que cometen quienes miden la tensión y la corriente. Después de realizar una medición de la corriente con los cables de prueba en las tomas de entrada de corriente, el usuario intenta realizar una medición de la tensión olvidando que los cables están en las tomas de corriente. Esto crea un cortocircuito en la fuente de tensión. Hace años, cuando los medidores analógicos eran el único instrumento para realizar estas mediciones, este error destruía prácticamente el movimiento del medidor (aguja pegada a la marca superior), por no mencionar los circuitos internos. Para ofrecer protección frente a esta situación tan habitual, los fabricantes de medidores empezaron a incluir un fusible en serie con los conectores de los cables de prueba del medidor, lo que suponía una solución eficaz y barata para un error muy simple. Hoy en día, la mayoría de los fabricantes sigue diseñando los comprobadores con protección de fusible en los circuitos de medición de corriente. A medida que ha avanzado la tecnología, la ciencia del diseño de fusibles también ha progresado. Aunque los fabricantes sí son conscientes de la importancia de los fusibles, la mayoría de los usuarios de estos dispositivos no le prestan la suficiente atención. Cuando se comete el sencillo error de poner tensión en las tomas de corriente y se quema el fusible, lo primero que se siente es agradecimiento por no haber roto el medidor. Pero, después, quizá moleste el hecho de tener que buscar un nuevo fusible y sustituirlo antes de realizar la siguiente medición de corriente. Es incluso más frustrante cuando se comparten medidores con otras personas en el taller, y es otro quien quema el fusible y deja el medidor para que otro usuario descubra el problema.
¿Cuándo se convierte un medidor en una granada?
Los fabricantes especifican en los manuales, y a menudo en el medidor, las clasificaciones de intensidad, interrupción y tensión requeridas para los fusibles de repuesto. Si se selecciona un fusible sin dicha clasificación o, aún peor, si se coloca un cable de puenteo en las conexiones del fusible, por increíble que parezca, lo que se obtiene es una granada térmica de mano. Ya solo se necesitan las condiciones adecuadas para detonarla. Probablemente no se producirá una explosión al trabajar con una impresora, una computadora, una fotocopiadora o equipos que tengan su propia fuente de alimentación (CAT I). Incluso puede que salga indemne tras trabajar con circuitos derivados (CAT II) sin detonarla. Estos dos entornos manejan una energía relativamente baja y normalmente incluyen protección de fusible integrada, disyuntores y circuitos de protección contra sobrecorriente. Sin embargo, no es una buena idea ni una forma segura de trabajar. Al pasar a un gabinete de distribución eléctrica (CAT III) o conductos de alimentación primaria (CAT IV), los circuitos de protección cambian significativamente. En el panel de distribución encontrará disyuntores entre usted y la compañía eléctrica con una clasificación de cientos de amperios, en lugar de los disyuntores de 15, 20 o 30 amperios de un circuito derivado. Al medir la tensión de la entrada de un panel de disyuntores de una residencia, la protección se encuentra en el poste de distribución eléctrica o la subestación. Estos disyuntores pueden soportar miles de amperios antes de abrirse y tardan bastante más en abrirse que un disyuntor de circuito derivado. Por lo tanto, si deja accidentalmente los cables en las clavijas de corriente y coloca los cables del medidor en una de estas fuentes de tensión sin un comprobador con los fusibles adecuados, habrá puesto su vida en grave peligro.
La bola de fuego de plasma
En estas circunstancias, el cortocircuito que representa un fusible incorrecto (o los cables envueltos alrededor de las conexiones del fusible) y los cables de prueba reciben una cantidad de energía casi ilimitada. El elemento de metal del fusible (o cable) se calienta con mucha rapidez y empieza a vaporizarse, lo que crea una pequeña explosión. En caso de que el fusible sea incorrecto, puede que la carcasa del fusible se abra de golpe debido a la fuerza de la explosión: se encontrará con una cantidad ilimitada de oxígeno que alimentará una bola de fuego de plasma. Es posible que los cables de prueba también comiencen a derretirse y, rápidamente, el fuego y el metal caliente le llegarán a las manos, los brazos, la cara y la ropa. La gravedad de las heridas vendrá determinada por el oxígeno disponible, el tiempo durante el que se siga aplicando energía al comprobador y la presencia de equipos de seguridad, como protección para la cara y guantes gruesos. Todo esto se produce en milisegundos y deja muy poco tiempo para reaccionar ante el error. Con suerte, quizá salga despedido de los cables de prueba o el comprobador y, de esta forma, se interrumpa el circuito. Pero la suerte no es algo con lo que se pueda contar, en especial cuando se podría evitar el problema por completo usando el fusible correcto.
Uso del fusible correcto
Los fusibles especialmente ideados para "alta energía", están diseñados para mantener la energía generada por un cortocircuito eléctrico dentro de la carcasa del fusible, lo que protegería al usuario de descargas eléctricas y quemaduras. Estos fusibles para alta energía están diseñados para limitar la cantidad de tiempo que se aplica energía y la cantidad de oxígeno disponible para la combustión. Los fusibles pueden diseñarse no solo para abrirse a una corriente constante específica, sino también con una corriente instantánea elevada. Esta corriente elevada se conoce como "corriente mínima de interrupción". Fluke usa fusibles con una clasificación de interrupción mínima de 10 000 y 17 000 amperios en sus comprobadores. Si introduce los cables de prueba de un medidor de 1000 V CAT III en las tomas de corriente, tendrá una resistencia en serie de aproximadamente 0.1 ohmios (0.01 por la derivación, 0.04 por los cables de prueba y 0.05 por el fusible y los conductores de la placa de circuitos) entre los cables. Ahora, si coloca accidentalmente los cables en una fuente de 1000 voltios, según la Ley de Ohm generará una corriente de 10 000 amperios (E/R = I; 1000/0.1 = 10 000). Lo ideal es que disponga de un fusible que interrumpa esa corriente con rapidez. Además del elemento de fusible diseñado especialmente, el fusible de alta energía está relleno de arena. La arena no solo ayudará a absorber la energía de descarga creada por el elemento que explota, sino que la elevada temperatura (de hasta 5537 °C) generada por la energía derretirá la arena y la convertirá en vidrio. El vidrio recubrirá el elemento y suavizará la bola de fuego, puesto que cortará el oxígeno disponible, lo que mantendrá a salvo al comprobador y al usuario. Como ve, no todos los fusibles con la misma clasificación de amperaje y tensión son iguales. Por su propia seguridad, asegúrese de que los fusibles que use sean los que el ingeniero diseñó para el comprobador. Consulte siempre el manual del comprobador o consulte al fabricante del comprobador para asegurarse de que tiene el fusible correcto. Siempre puede obtener los fusibles de repuesto para los comprobadores Fluke realizando un pedido del número de pieza que aparece en el manual del comprobador. Su seguridad vale mucho más que el dinero que cuesta adquirir el fusible correcto para el que se diseñó el comprobador.
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