Optimización de la gestión de cables para garantizar la seguridad y eficiencia de los sistemas fotovoltaicos a escala comercial

Los sistemas fotovoltaicos a gran escala suelen generar varios megavatios (MW) de electricidad y son fundamentales para la energía verde y la sostenibilidad. Cada MW requiere unos 2,900 paneles solares repartidos en varias hectáreas de terreno, uno o varios inversores y controladores, además de equipos de conexión a la red. Conectar todos estos elementos a un sistema fotovoltaico puede requerir millas de cableado de alimentación y monitorización, y decenas de miles de componentes de gestión de cables. Si no se implementan correctamente, el cableado y los componentes de gestión de cables pueden convertirse literalmente en el eslabón débil que reduzca la eficiencia, limite la disponibilidad, aumente los riesgos de seguridad e incremente los costos de instalación y funcionamiento.

Diseñar instalaciones de gestión de cables seguras y eficaces es complejo. Incluye abrazaderas de cable para la protección contra cortocircuitos del cableado de alimentación, ausencia de comprobadores de tensión para proteger al personal que realiza el mantenimiento de la instalación, amarres de cable con clip de borde para conexiones fiables de señalización y supervisión, y conectores de terminal de compresión para alimentación y toma de tierra. Además, estos componentes deben cumplir varias normas internacionales, como los cortacables que deben cumplir la norma IEC 61914:2015 para garantizar que pueden soportar un fallo a tierra, la ausencia de comprobadores de voltaje que deben funcionar según lo exigido por la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) y las normas de seguridad UL y CSA, y los requisitos generales para que los componentes solares soporten las condiciones exteriores definidas en la norma IEC 61215 para instalaciones fotovoltaicas.

Este artículo analiza los elementos de una instalación fotovoltaica a gran escala, centrándose específicamente en el gran número de componentes de gestión de cables necesarios, detalla algunas de las normas de seguridad internacionales relacionadas y revisa los requisitos para el funcionamiento en entornos difíciles y la instalación rentable. A lo largo del debate, se destacan productos ejemplares de Panduit.

Creciente importancia de la BOS

En las instalaciones fotovoltaicas, el balance del sistema (BOS) incluye todo lo que no sean los paneles fotovoltaicos, como bastidores, cables, gestión de cables, inversores y otros dispositivos del sistema, además de la mano de obra y el software. A medida que ha ido mejorando la tecnología de los paneles fotovoltaicos, sus precios han bajado más deprisa que los de los componentes del BOS. Según un análisis de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), el 62% de la reducción de costos de las instalaciones fotovoltaicas se debió a la caída de los precios de los paneles fotovoltaicos y los inversores¹.

La caída de los costes de los paneles fotovoltaicos y los inversores ha puesto de relieve los componentes de BOS. Según IRENA, la BOS representa un porcentaje cada vez mayor del costo de las instalaciones fotovoltaicas, pasando del 58% en 2007 al 80% en 2017 (Figura 1). Al mismo tiempo, elevar el bus de distribución a 1 kV_DC y más ha aumentado la importancia de los componentes BOS en relación con la eficiencia y la seguridad del sistema. En el futuro, los componentes BOS serán cada vez más importantes para impulsar la reducción de costos y las mejoras operativas, incluido el aumento de la seguridad y la eficiencia en los sistemas fotovoltaicos a escala de red.

Figura 1: El porcentaje del costo instalado correspondiente a los paneles fotovoltaicos ha disminuido, lo que aumenta la importancia de la BOS en los sistemas fotovoltaicos. (Fuente de la imagen: Panduit)

La gestión de los cables es un aspecto crítico de la BOS en los sistemas fotovoltaicos a escala de red. Tiene un impacto significativo en la seguridad, el costo y la eficiencia. Los pasacables son un buen ejemplo de las ventajas de una gestión optimizada de los cables. Proporcionan protección contra cortocircuitos para cables de alimentación. Sin la protección adecuada, las altas corrientes que se producen durante un cortocircuito pueden calentar los conductores, con la consiguiente posibilidad de incendios o explosiones. Las corrientes de cortocircuito también provocan grandes tensiones electromecánicas en el cableado de distribución de energía.

Para obtener la máxima seguridad, los sujetacables deben cumplir los requisitos de la norma IEC 61914:2015. La tensión electromecánica máxima se experimenta durante un cortocircuito después de unos 5 milisegundos (ms). Eso es mucho antes de los 60 a 100 ms necesarios para que reaccionen los dispositivos de protección de circuitos, como los disyuntores. La norma IEC 61914:2015 especifica una duración de la prueba de cortocircuito de 100 ms para las abrazaderas de cable, a veces denominadas abrazaderas de cable. Panduit utiliza software de simulación cuando diseña sus cornamusas para cables y luego las somete a un fallo de cortocircuito en tensión para confirmar su conformidad con la norma IEC 61914:2015 (figura 2).

Figura 2: Simulación con el software ANSYS de las fuerzas electromagnéticas sobre los cables durante las fases iniciales de un cortocircuito. (Fuente de la imagen: Panduit)

La norma IEC 61914:2015 va más allá de la protección contra cortocircuitos; incluye disposiciones para:

• Temperatura nominal
• Resistencia a la propagación de la llama
• Resistencia a la corrosión
• Pruebas de carga axial
• Pruebas de carga lateral
• Resistencia al impacto
• Resistente a los rayos UV

Los pasacables Trefoil de Panduit están fabricados en acero inoxidable 316L, también denominado acero inoxidable de calidad marina, con modelos que admiten cables con diámetros de 20 a 69 milímetros (mm). Por ejemplo, el modelo CCSSTR6269-X puede manejar diámetros de cable de 62 a 69 mm. Estas abrazaderas de cable se pueden instalar después de pasar el cable utilizando un soporte de montaje Panduit o antes de pasar el cable instalando la abrazadera directamente en el peldaño de la bandeja de cables a través de un orificio de fijación utilizando un perno M8 (Figura 3).

Figura 3: Como se ilustra arriba, las abrazaderas de cable Trefoil de Panduit pueden instalarse utilizando un soporte de montaje. (Fuente de la imagen: Panduit)

La complejidad de las fuerzas electromecánicas experimentadas durante un cortocircuito y las estrictas exigencias de rendimiento de la norma IEC 61914:2015 se combinan para hacer que la identificación de la abrazadera de cable necesaria sea un ejercicio matemático engorroso. Panduit ofrece la aplicación Cable Cleat kAlculator que recomienda soluciones de cortocircuito IEC 61914:2015 de entre más de 60 productos de cornamusas de cable Panduit para acelerar el proceso de selección. El uso de la aplicación kAlculator reduce la selección de abrazaderas de cable a un sencillo proceso de tres pasos:

1. Seleccione la disposición de los cables.
2. Introduzca el diámetro del cable.
3. Introduzca el pico de corriente de cortocircuito.

La aplicación ofrece recomendaciones sobre componentes y espaciado.

Alimentación y toma de tierra

Además de abrazaderas de cable para cables de alimentación y tierra, las instalaciones fotovoltaicas a gran escala requieren conectividad de alimentación y tierra. Los conectores de terminal de compresión de cobre pueden proporcionar una conectividad eficaz, y Panduit ofrece los únicos terminales de compresión de cobre que cumplen los requisitos del nivel 3 de Network Equipment Building Systems (NEBS) según las pruebas realizadas por Telcordia Technologies. El cumplimiento del nivel 3 de NEBS garantiza a los usuarios que los conectores de compresión Pan-Lug pueden ofrecer un rendimiento fiable en aplicaciones como la fotovoltaica a escala de servicios públicos que exigen interrupciones mínimas del servicio durante la vida útil del equipo.

Los diseñadores de instalaciones fotovoltaicas a escala de servicios públicos pueden recurrir a los conectores de barril estándar de dos orificios y conductor flexible de Panduit, que pueden utilizarse con conductores de cobre flexibles, extraflexibles y trenzados en código para proporcionar una conectividad eficiente y fiable de alimentación y tierra. Por ejemplo, el modelo LCDX1/0-14B-X puede utilizarse con cables de calibre 1 americano (AWG) y tiene dos orificios para pernos pasadores de 0.25 pulgadas (in) con una separación de 0.75 pulgadas (Figura 4). Características comunes a todos los conectores de compresión Pan-Lug:

• Certificación UL y CSA hasta 35 kV y temperatura nominal hasta +90 °C.
• Los extremos del cañón biselados internamente simplifican la inserción del conductor.
• Ventana de inspección para garantizar una inserción completa.
• Cuerpo de cobre puro al 99.9% con revestimiento de estaño para inhibir la corrosión.

Figura 4: Los terminales de compresión de este tipo pueden utilizarse para la conexión a tierra y a la red eléctrica en sistemas fotovoltaicos de gran escala. (Fuente de la imagen: Panduit)

Clips y bridas

Además del cableado de alimentación, las instalaciones fotovoltaicas a gran escala pueden incluir kilómetros de cableado para funciones de control y supervisión. Si no se especifican e instalan correctamente, los clips y ligaduras de cable utilizados para la gestión de cables pueden reducir la fiabilidad del sistema y aumentar los costes de instalación y funcionamiento. Los clips para cables de uso general no están diseñados para una exposición prolongada a la luz solar y a la intemperie. Si se utilizan en instalaciones fotovoltaicas, los clips y bridas de plástico de uso general no resistentes a los rayos ultravioleta (UV) pueden volverse quebradizos y requerir una sustitución periódica. Además, la exposición a la sal puede corroer los clips metálicos y dañar los bordes galvanizados de los paneles fotovoltaicos. En ambos casos, los costos de mantenimiento pueden aumentar considerablemente y la fiabilidad puede resentirse.

En lugar de utilizar clips y bridas de uso general, los diseñadores de sistemas fotovoltaicos pueden recurrir a bridas de cable con clip de borde como el modelo CMSA12-2S-C300 de Panduit, fabricado con Nylon 6.6 estabilizado al calor y clips metálicos cincados, y probado según las normas IEC 61215 para instalaciones fotovoltaicas en exteriores (Figura 5). Características adicionales:

• Grado de inflamabilidad UL94V-2.
• Funcionamiento continuo de -60 °C a +115 °C.
• Cumple los requisitos de protección contra incendios de la norma EN45545-2 según los criterios de clasificación R22:HL3 y R23:HL3.
• Vida útil a la intemperie de 7 a 9 años.

Figura 5: Esta ligadura de cable con clip en el borde tiene Nylon 6.6 resistente a la intemperie y clips de acero cincado para garantizar una alta fiabilidad en condiciones exteriores adversas. (Imagen: Panduit)

Estas ligaduras de cable con clip de borde aseguran los mazos de cableado sin adhesivos ni taladros. Están premontados con una ligadura de cable y un clip que pueden montarse en bordes de paneles con grosores de 0.7 milímetros (mm) a 3 mm, según el modelo. El clip metálico proporciona una sujeción segura y puede instalarse a mano sin necesidad de herramientas.

Están diseñados para una instalación rápida. En comparación con una brida tradicional que puede tardar unos 21 segundos en instalarse, estos clips de bordes pueden instalarse en 11 segundos, lo que supone un ahorro de 10 segundos por clip. Eso suma. En una instalación fotovoltaica típica a escala de servicio público con 2,900 paneles fotovoltaicos por MW y tres clips por panel, el ahorro de mano de obra puede ser de 24,17 horas, o un 47% (50.75 horas para instalar bridas convencionales frente a 26.58 horas para instalar los clips de borde de cable solar Panduit) (Figura 6).

Figura 6: El uso de clips para cables solares puede reducir el tiempo de instalación en un 47%. (Fuente de la imagen: Panduit)

Mantenimienot de FV a escala de red

Cuando se realiza el mantenimiento de instalaciones fotovoltaicas a escala de red, especialmente cuando se realiza el mantenimiento de los cables de distribución de energía, la normativa de seguridad exige una prueba de verificación de tensión para validar la ausencia de tensiones peligrosas. Por ejemplo, la normativa NFPA-70E de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) exige que se verifique la ausencia de altas tensiones en el interior de los armarios de los equipos antes de que el personal de mantenimiento pueda realizar cualquier trabajo dentro del armario. Las pruebas de ausencia de voltaje (AVT) con instrumentos de prueba portátiles son complicadas, están plagadas de posibles imprecisiones y requieren mucho tiempo. Los AVT VeriSafe de Panduit proporcionan una solución automatizada que comprueba la presencia de voltajes peligrosos en el interior de un armario de equipos antes de abrir la puerta. El uso de una solución de pruebas automatizadas aporta varias ventajas, entre ellas:

• La fiabilidad mejora la seguridad y reduce los riesgos.
• La sencillez aumenta la productividad y garantiza el cumplimiento de las normas de seguridad.
• La flexibilidad mejora la aplicación.

Los AVT de VeriSafe, como el modelo VS-AVT-C02-L03, constan de varios elementos, incluido un módulo de aislamiento que se monta en el interior del gabinete y conecta los cables redundantes de los sensores a las zonas de alta tensión, así como las líneas de neutro y tierra. El módulo de aislamiento se conecta de forma segura a un módulo indicador alimentado por batería que es visible cuando la puerta del gabinete está cerrada y a los cables que conectan los dos módulos (Figura 7).

Figura 7: Un sistema AVT consta de un cable del sistema (izquierda), un módulo indicador (centro) y un módulo de aislamiento con terminales de sensores (derecha). (Fuente de la imagen: Panduit)

Al iniciar una prueba con un sistema AVT VeriSafe, se pulsa el botón de prueba del módulo indicador y el sistema realiza una autoprueba. Los LED rojos y las paradas de prueba indican cualquier fallo de la autoprueba. Si se supera la autoprueba, el módulo de aislamiento comprueba las tensiones y los fallos a tierra. El último paso es que la AVT realice una segunda autoprueba. Solo si se supera la segunda autoprueba y no hay presencia de voltaje, la AVT indicará que es seguro que el personal abra el armario y trabaje en el sistema.

Resumen

Los componentes de la BOS representan un porcentaje cada vez mayor del costo de las instalaciones fotovoltaicas a escala comercial. La gestión del cableado es un aspecto importante del diseño de BOS, y la selección de abrazaderas de cable optimizadas, terminales de potencia y tierra, y sujetacables con clip de borde puede mejorar significativamente el funcionamiento y la seguridad de esas instalaciones. La incorporación de la ausencia automatizada de pruebas de voltaje favorece las actividades de mantenimiento en curso, aumentando la seguridad y reduciendo los costos de explotación.

Referencia:

1. Costos de generación de energía renovable en 2019, Agencia Internacional de Energías Renovables