Cómo evitar el uso incorrecto de fusibles de CA en circuitos de CC

El uso de un fusible incorrecto en un circuito podría tener consecuencias potencialmente desastrosas para las personas y los equipos. En un sistema solar compuesto por varias cadenas de módulos fotovoltaicos (PV), las cadenas se protegen mediante fusibles de corriente continua (CC) que se instalan en un combinador o en cajas de conexiones de matriz. Este artículo intenta ofrecer un adelanto de la lógica detrás de la selección de fusibles para un sistema de CC fotovoltaico.

Cómo elegir el fusible correcto para CA y CC?

La corriente alterna (CA) es bastante fácil de romper para un fusible, ya que la fuente de CA invierte el flujo de electrones 100 veces por segundo en circuitos de 50 Hz. Cuando la corriente se invierte, pasa a cero en magnitud. Un flujo de corriente cero es muy fácil de interrumpir para un fusible; en este punto, el flujo de corriente se detiene y ya no hay energía para sostener el arco a través del elemento fusible fundido.

Por otro lado, la corriente continua puede ser muy difícil de romper para un fusible. En este caso, la corriente fluye en una sola dirección. No hay un punto cero que ayude al fusible a extinguir el arco. Los fusibles de corriente continua son dispositivos relativamente sofisticados que tienen una construcción diferente a la de los fusibles de corriente alterna simples. Los fusibles de corriente continua contienen elementos adicionales para extinguir el arco.

En el caso de los fusibles de CA y CC, los voltajes nominales estándar son diferentes y no existe una relación matemática estricta entre ellos. Un fusible con una capacidad nominal de 1000 V CA puede tener una capacidad nominal de 500 V CC o 750 V CC, según su construcción. Como regla general, un fusible de CA estándar deberá reducirse en un 50 por ciento, es decir, 1000 V CA tendrían una capacidad nominal de 500 V CC para ser seguro. Sin embargo, debe consultar al fabricante del fusible para obtener los resultados de las pruebas o especificaciones adicionales sobre cada fusible antes de hacer suposiciones.

Los fusibles de CA están diseñados generalmente para soportar una carga que supere su corriente nominal, a veces entre el 160 % y el 200 % de su valor nominal durante hasta diez segundos. En un sistema fotovoltaico, la corriente está limitada por el diseño de fuente de corriente constante de los módulos fotovoltaicos, por lo que obtener suficiente corriente para romper un fusible de CA en un tiempo razonable puede resultar bastante difícil.

Los fusibles con clasificación de CC diseñados específicamente para aplicaciones fotovoltaicas están pensados para romperse con la corriente nominal en un corto período de tiempo, lo que proporciona la máxima protección para el cableado, las cajas de conexiones y los módulos fotovoltaicos. Si el fusible no indica la clasificación de CC, o no se menciona en la hoja de especificaciones del producto, es posible que no esté aprobado para su uso en aplicaciones de CC. O puede ser que el producto no haya sido aprobado por un organismo de aprobación eléctrica reconocido internacionalmente o por el fabricante, que puede o no tener instalaciones de prueba para realizar la prueba del producto. Los portafusibles también deben inspeccionarse para comprobar la clasificación de CC.

Para protegerse a usted y a sus clientes, utilice siempre el producto con la clasificación de CC correcta para sus instalaciones fotovoltaicas. Si utiliza un producto con una clasificación incorrecta, podría ser responsable de los daños causados o de la pérdida de vidas en caso de que las cosas salgan mal.

Para qué sirve el fusible en el sistema fotovoltaico?

Los fusibles desempeñan un papel muy importante en los proyectos de energía solar. Existen varios lugares donde se utilizan en los sistemas fotovoltaicos solares. Las ubicaciones pueden incluir cajas de conexión de cadenas, cajas de matriz e incluso el lado de CC del sistema inversor.

También se utilizan fusibles en el lado de CA del sistema. Los fusibles de CA son diferentes alos de CC . Sin embargo, en este artículo, solo consideramos el diseño de fusibles de CC.

En el caso de una gran cantidad de cadenas conectadas en paralelo, es necesario garantizar la protección de los paneles fotovoltaicos y del sistema contra corriente inversa y sobrecorriente (OC).

Los fusibles se utilizan principalmente para proteger el sistema contra cortocircuitos y riesgos de incendio. Los fusibles en instalaciones fotovoltaicas están sujetos a condiciones ambientales extremas, como la exposición a la luz solar, que provoca una temperatura anormal del fusible, lo que afecta al rendimiento del mismo. Por lo tanto, se debe garantizar el dimensionamiento y la selección de los fusibles y cables adecuados.

Además, los módulos fotovoltaicos también producen corriente continua, por lo que resulta aún más importante utilizar fusibles de tamaño adecuado.

Un fusible es un dispositivo de protección contra sobrecorriente que está diseñado para sacrificarse a sí mismo para proteger los sistemas eléctricos. Los fusibles están diseñados para abrir circuitos cuando se someten a tensión por un flujo de corriente excesivo causado por sobrecargas o fallas. Elegir el fusible correcto para una aplicación evitará incendios y otros daños que pueden producirse cuando algo sale mal. Los problemas típicos pueden incluir un cable suelto en el circuito del inversor, un cable que hace cortocircuito a tierra, un corte accidental de un cable, un animal o roedor que muerde el cableado, daños por el clima, etc.

La figura 1 ilustra un sistema solar típico desde los módulos fotovoltaicos hasta el inversor.

Cómo elegir correctamente un fusible de potencia adecuada?

Los fusibles se clasifican por corriente y voltaje, y generalmente se clasifican solo para CA, solo para CC o para CA y CC. Si se utilizan fusibles incorrectos para aplicaciones de CC, es posible que sea necesario reducir la clasificación de voltaje y deberá consultar al fabricante del fusible para obtener más información sobre su producto. Esto se debe a la mayor energía del arco que se debe absorber durante el proceso de ruptura.

Pasos clave para el dimensionamiento de fusibles para la selección de fusibles para sistemas solares fotovoltaicos

Se deben utilizar los siguientes pasos para dimensionar correctamente un fusible de una cadena según el artículo 690.8 del Código Eléctrico Nacional de 2011.

1. Calcule la corriente máxima del circuito.
2. Calcule el amperaje nominal del fusible.
3. Reduzca la capacidad nominal del fusible debido a condiciones de temperatura anormales.
4. Calcule el amperaje nominal del fusible.
5. Verifique la clasificación del fusible con respecto a la clasificación del conductor.

Se debe incluir protección contra sobrecorriente (ya sea mediante fusibles o disyuntores) en una fuente fotovoltaica o circuito de salida solo si tiene tres o más cadenas de paneles. Los fabricantes de módulos fotovoltaicos suelen especificar la cantidad máxima de cadenas que se pueden conectar en paralelo sin agregar ninguna protección con fusibles, mediante la capacidad máxima de corriente inversa de un módulo fotovoltaico.

Los fusibles generalmente se colocan dentro de una caja combinadora (si su sistema usa una caja combinadora) o dentro del seccionador de CC o una caja de conexiones del conjunto.

La mayoría de los dispositivos de protección contra sobrecorriente están clasificados para una temperatura máxima de funcionamiento de 45 °C. Esto funciona bien para el cableado doméstico cotidiano. Por otro lado, debido a su ubicación al aire libre o en el interior de áticos, los componentes fotovoltaicos pueden estar expuestos a mucho más calor. Por lo tanto, si planea colocar fusibles o disyuntores en lugares con altas temperaturas, debe consultar las hojas de especificaciones del producto/factores de ajuste de temperatura elevada. De lo contrario, el circuito puede experimentar disparos molestos o fusibles fundidos en climas cálidos.

Para determinar la clasificación normal del dispositivo OC, comience con la siguiente ecuación:

Corriente nominal del circuito = Imax
Capacidad de corriente OC = Imax × número de cadenas de módulos × 1,56

En el lado de CC del circuito, se utiliza la corriente de cortocircuito (Isc) para este cálculo. Si el fusible se va a colocar dentro de un combinador o una caja de conexiones de matriz, por ejemplo, Isc será igual a la especificación de corriente de cortocircuito para los módulos.

Para nuestra matriz de muestra de módulos Sharp, el cálculo se da como sigue:

6,35 A (corriente de cortocircuito) × 1,56 = 9,906 A

Dado que los fusibles se venden en tamaños estándar (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 30 amperios, etc.), UL indica que debe seleccionar el tamaño más cercano al valor nominal actual o justo por encima de él. Para 9,906 A, eso significa un fusible de 10 A.

En el caso de los circuitos fotovoltaicos que incorporan un inversor normal con un transformador incorporado, solo una de las dos polaridades (positiva o negativa) de un par, normalmente el cable sin conexión a tierra o el cable con corriente, debe tener fusible. Sin embargo, si tiene un inversor sin transformador, ambos cables del par deben tener fusible.

En caso de que se lo esté preguntando, el multiplicador de 1,56 en el cálculo de la clasificación actual es un atajo que incorpora dos fórmulas NEC que se aplican a los circuitos fotovoltaicos.

El primero es: Imax×1,25, que equivale a lo que el NEC llama corriente continua de un circuito.

La segunda fórmula es: Corriente continua × 1,25, que proporciona un margen por encima del primer valor para evitar disparos inoportunos debido a pequeñas fluctuaciones de corriente. Ahora bien, si tomamos 1,25 × 1,25 (o 1,25 al cuadrado), obtenemos 1,56.
Para nuestro sistema de muestra conectado a la red con un inversor normal sin transformador, una cadena de dos conjuntos y un voltaje (medido anteriormente) de 420,36 V, la caja de conexiones o combinador que compramos debe tener una clasificación de 1000 V CC (es decir, el tamaño estándar) para acomodar el conductor positivo y negativo para al menos dos cadenas y tener una clasificación mínima de 20 A.

Isc por cadena = 6,35 A
Número de cadenas en paralelo=2
Corriente total que fluye a través del circuito = 6,35 × 2 = 12,7 A
Tomando un factor de clasificación de fusible de 1,56 = 12,7 × 1,56 = 19,81 A
Por lo tanto, la clasificación del fusible a considerar debe ser >20 A.

Por lo tanto, el conductor de 20 A seleccionado es un cable de cobre de 6 mm2 que es capaz de soportar dicha clasificación de corriente.
El sistema ahora puede funcionar de forma segura.

La curva de reducción de potencia del fusible con respecto a la temperatura se muestra en la figura 2.

Fig. 2: Curva de temperatura del fusible fotovoltaico

Seleccione fusibles según los estándares de certificación

A diferencia de los sistemas de CA conectados a la red eléctrica, la corriente de cortocircuito disponible en los sistemas fotovoltaicos es limitada y los dispositivos de protección contra sobrecorriente deben funcionar de manera eficaz con niveles bajos de corriente de falla. Por este motivo, la mayoría de los fabricantes han llevado a cabo una amplia investigación y desarrollo de cartuchos fusibles que están diseñados y probados específicamente para proteger de manera segura los sistemas fotovoltaicos con altos voltajes de CC y corrientes de falla bajas.

La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) reconoce que la protección de los sistemas fotovoltaicos es diferente para las instalaciones eléctricas estándar. Esto se refleja en la norma IEC 60269-6 (gPV), que define las características específicas que debe cumplir un cartucho fusible para proteger los sistemas fotovoltaicos.

Las gamas de cartuchos fusibles fotovoltaicos de cadena y de derivación de los fabricantes se han diseñado específicamente para cumplir con esta norma. Estos cartuchos fusibles fotovoltaicos se han probado completamente de acuerdo con los requisitos de la norma IEC 60269-6.

Sin embargo, los fabricantes de cartuchos fusibles fotovoltaicos superan los requisitos de la norma IEC 60269-6, ya que funcionan a 1,35 x In (1,35 veces la corriente nominal). También cumplen los requisitos de la norma UL 2579 y, por lo tanto, son adecuados para proteger módulos fotovoltaicos en situaciones de corriente inversa. Si bien la norma no reconoce un símbolo específico, a menudo se utiliza una combinación de símbolos para cartuchos fusibles y cadenas para indicar que un cartucho fusible es adecuado para proteger cadenas en sistemas fotovoltaicos.