Mediciones de la impedancia del bucle de defecto en plantas fotovoltaicas con sistemas IT en condiciones de voltaje de hasta 900 V CA

La medición de la impedancia de bucle en plantas fotovoltaicas con sistemas IT y tensiones de hasta 900 V CA representa uno de los mayores desafíos en el diagnóstico moderno de instalaciones fotovoltaicas. Las altas tensiones, las características de las redes IT, la presencia de inversores y la extensión de las instalaciones requieren no solo equipos especializados, sino también conocimientos técnicos, experiencia y una metodología de medición cuidadosamente planificada. ¿Cómo realizar estas mediciones de forma segura y eficaz? ¿Qué normas deben cumplirse y en qué aspectos hay que prestar especial atención?

Introducción

El desarrollo dinámico del sector de las energías renovables, sobre todo del sector fotovoltaico, resulta en el considerable aumento del número de grandes instalaciones fotovoltaicas. A pesar de las fluctuaciones periódicas en el sector energético, las inversiones en plantas fotovoltaicas siguen populares. Asimismo, aumenta la demanda de servicios de diagnóstico preciso de los parámetros operativos de las plantas, incluidas las mediciones de la impedancia del bucle de defecto (Z_S). Este parámetro constituye el elemento básico de la comprobación del funcionamiento correcto de los sistemas de protección contra choques eléctricos y cortocircuitos, así como de la conformidad del sistema fotovoltaico con los planteamientos del proyecto.

No obstante, al medir la impedancia del bucle de defecto en las plantas fotovoltaicas, sobre todo aquellas que trabajan en el sistema de distribución IT, suelen presentarse numerosas dificultades resultantes del funcionamiento particular de este tipo de instalaciones, como por ejemplo:

la presencia de inversores que pueden afectar a los métodos clásicos de medición,
las condiciones cambiantes de producción de energía debido a la dinámica del nivel de irradiación, lo cual repercute en la estabilidad de los resultados de las mediciones,
grandes distancias y largos tramos de cableado, característicos para plantas fotovoltaicas extendidas en hectáreas y con una potencia incluso de centenas de MWp (una instalación que genera 1 MWp reside en una superficie aproximada de 1,5 ha),
el uso del esquema de distribución IT, en cuyo caso la impedancia del bucle de defecto y el método de conexión a tierra tienen una importancia particular para la eficacia de la protección contra choques eléctricos,
el voltaje real detrás del inversor superior a 800 V CA, lo cual reduce el número de dispositivos de medición disponibles.

En este artículo, abordamos las particularidades de las mediciones de la impedancia del bucle de defecto en plantas fotovoltaicas con el esquema IT, la metodología de las mediciones y la interpretación de los resultados obtenidos en los sistemas con voltaje incluso de 900 V CA.

¿Debe medirse la impedancia del bucle de defecto en los sistemas IT de las plantas fotovoltaicas?

Entre los profesionales de medición de parámetros eléctricos a menudo surgen dudas acerca de la validez de las mediciones de la impedancia del bucle de defecto (Z_S) en las instalaciones fotovoltaicas que funcionan en base al esquema IT. Asimismo, cabe considerar la fiabilidad de los resultados obtenidos si la planta incluye inversores que pueden afectar a la estabilidad de la medición. Se presentan también otros problemas que hemos mencionado al principio.

La respuesta a la pregunta planteada no deja lugar a dudas: sí, es necesario medir la impedancia del bucle de defecto y esta medición se debe llevar a cabo de manera integral. Además, no hay que limitarse a una sola medición, sino que deben efectuarse unas cuantas, en distintos casos simulados que pudieran producirse en el entorno real, para obtener una visión completa de los parámetros del sistema y de la eficacia de las medidas de protección utilizadas.

Para realizar las mediciones anteriormente mencionadas, debemos basarnos en las normas aplicables, tales como:

HD 60364-6 – norma que determina los requisitos para la verificación inicial y periódica de una instalación eléctrica,
HD 60364-7-712 – Low-voltage electrical installations – Part 7-712: Requirements for special installations or locations – Solar photovoltaic (PV) power supply systems
HD 60364-4-41 – Low-voltage electrical installations – Part 4-41: Protection for safety – Protection against electric shock
EN 62446 – norma que hace referencia a los requisitos para ensayos, inspecciones y comprobaciones de sistemas fotovoltaicos.

El cumplimiento de las condiciones especificadas en estas normas es crucial tanto para la seguridad de la instalación como para verificar la conformidad del sistema ensayado con los planteamientos del proyecto. Más adelante, hablaremos de los detalles de las mediciones de la impedancia en los sistemas IT de las plantas fotovoltaicas.

Sistema de distribución IT

El sistema de distribución IT se utiliza cuando se tiene que garantizar la máxima seguridad del personal y la alta fiabilidad de la alimentación, también en situaciones de emergencia que resultarían en el accionamiento de los disyuntores en el caso de los esquemas TN o TT.

En el caso del sistema IT, lo que más importa es la configuración del propio sistema, es decir, el hecho de que todas las partes activas de la alimentación (L1, L2, L3 y N, en su caso) estén aisladas con respecto a tierra o conectadas a tierra a través de una impedancia elevada (por ejemplo, un descargador de chispas o resistor de 1500 Ω), con las partes conductoras expuestas estando directamente conectadas a tierra.

Fig. 1. Diagrama del sistema de la instalación fotovoltaica provista de transformador con el esquema IT. El punto neutro del transformador está conectado a tierra a través de un descargador de chispas.

Fig. 2. Posibles modalidades del sistema IT con arreglo a la norma IEC 60364-1:
a) sistema IT monofásico, en el que el punto neutro del transformador está conectado a tierra mediante una impedancia elevada Z;
b) sistema IT trifásico sin conductor neutro, en el que el punto neutro del transformador está conectado a tierra mediante un descargador de chispas;
c) sistema IT trifásico con conductor neutro, en el que el punto neutro del transformador está conectado a tierra mediante una impedancia elevada Z.

Para garantizar el funcionamiento eficaz del sistema IT, las partes conductoras expuestas deben estar correctamente conectadas a tierra. Esto se puede conseguir de varias maneras: por separado, en grupos o a nivel común.

Fig. 3. Posibles métodos de puesta a tierra de protección en una instalación fotovoltaica:
a) conexiones a tierra por separado; b) conexiones a tierra en grupo; c) conexión a tierra común

La protección de las partes conductoras expuestas se consigue mediante su conexión a tierra: véanse Fig. 1 y Fig. 2.

Vigilancia del funcionamiento del sistema IT

En los sistemas IT se pueden emplear los siguientes dispositivos de vigilancia y protección:

IMD - dispositivos de vigilancia del aislamiento;
RCM - dispositivos de vigilancia de la corriente residual;
IFLS - sistemas de localización de fallos de aislamiento;
OCPD - dispositivos de protección contra sobrecorriente;
RCD - dispositivos de protección contra la corriente residual.

En los sistemas IT, suelen utilizarse dispositivos que mantienen un control permanente del estado del aislamiento con respecto a tierra: IMD (Insulation Monitoring Device en inglés). Un IMD detecta la disminución de la resistencia del aislamiento y avisa del fallo (por ejemplo, accionando una alarma visual o acústica), pero no desconecta la alimentación inmediatamente, lo cual permite mantener el sistema operativo (manteniendo la continuidad de alimentación) y eliminar el fallo sin tener que detener la instalación. No obstante, si no reaccionamos al primer cortocircuito, en casos extremos puede producirse una segunda falla, provocando un cortocircuito entre fases y forzando la desconexión de la alimentación mediante los dispositivos de protección contra sobreintensidades.

Gracias a un IMD, el sistema IT garantiza una elevada continuidad de la alimentación, pero requiere un control periódico y reacciones rápidas al primer cortocircuito para evitar una avería más grave.

Más información acerca de la composición y el funcionamiento del sistema IT se puede encontrar en distintas publicaciones del sector, como por ejemplo «Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT» [Protección contra choques eléctricos en sistemas con esquema IT» de Julian Wiatr, licenciado en ingeniería.

Impacto de las particularidades del sistema IT en las mediciones de la impedancia del bucle de defecto

Las características del sistema IT tienen una importancia crucial para el método de medición de la impedancia del bucle de defecto en las instalaciones fotovoltaicas. A diferencia de los sistemas TN, en donde una falla del conductor de fase con (a) una parte conductora expuesta, o (b) el conductor de protección del circuito/dispositivo, resulta en elevadas corrientes de cortocircuito, en el caso del sistema IT la primera falla a las partes conductoras expuestas provoca solamente un flujo de corrientes capacitivas de baja intensidad (normalmente, unos cuantos miliamperios).

Aquí conviene detenernos para dar algunas explicaciones. La corriente capacitiva es la corriente resultante de la capacidad de los cables (las dos líneas operativas restantes) y de los dispositivos de recepción con respecto a tierra. En el sistema IT, el punto neutro del transformador no está directamente conectado a tierra, por lo que, en el caso de un solo cortocircuito (por ejemplo, fase a tierra) la corriente de cortocircuito no está limitada por la impedancia de tierra, sino que depende más que nada de la capacidad de la línea con respecto a tierra. Por lo tanto, los métodos tradicionales de medición pueden no ofrecer resultados fiables y la interpretación de los resultados obtenidos requiere un análisis profundo de la configuración del sistema en el momento de la prueba.

Asimismo, cabe destacar que la falla en el circuito no tiene que ser un cortocircuito metálico a tierra; la norma HD 60364-4-41 hace referencia al cortocircuito con la parte conductora expuesta. En este artículo, las nociones de «cortocircuito a tierra» y «fuga a tierra» se refieren al significado planteado en la norma. Cabe añadir que en las publicaciones del sector suelen utilizarse los términos de «primera» y «segunda» fuga a tierra, pero en este artículo utilizamos la terminología empleada en la norma mencionada.

Fig. 4. Funcionamiento del sistema IT (a) en condiciones normales, (b) con una primera falla en el circuito

Primera falla en el circuito

Una sola falla en el circuito no provoca corrientes de cortocircuito de grandes intensidades, porque estas corrientes se cierran a través de las capacidades de los demás conductores de fases con respecto a tierra y a través del conductor de protección PE creando un circuito cerrado dentro de un sistema acoplado galvánicamente. La intensidad de esta corriente no depende del lugar en el que se haya producido la falla, sino de la configuración actual de toda la instalación.

Para garantizar una protección eficaz contra choques eléctricos en el sistema IT con la primera falla en el circuito, hay que cumplir la siguiente condición:

R_a·I_k1 ≤ 50 V AC
R_a·I_k1 ≤ 120 V DC

donde:

R_a es la suma de la resistencia de la conexión a tierra y del conductor de protección con respecto a las partes conductoras expuestas [Ω],
I_k1 es la corriente de cortocircuito de la primera falla [A], que incluye las corrientes de fuga y la impedancia de la conexión a tierra.

Si las partes conductoras expuestas están correctamente conectadas a tierra, la primera falla en el circuito no provoca un riesgo de choque eléctrico, por lo que no se produce una desconexión inmediata del circuito afectado (solamente se avisa de esta situación mediante IMD/controlador de aislamiento).

Con la primera falla en el circuito, el sistema IT puede parecerse a un sistema TN o TT, en función del modo de conexión a tierra de sus elementos (véase Fig. 3).

TT: cuando los distintos dispositivos están conectados a tierra por separado o en grupos: Fig. 3a, Fig. 3b. Véase: ejemplo de conversión en Fig. 5a.
TN: cuando todos los dispositivos están conectados en un sistema común de puesta a tierra: Fig. 3c. Véase: ejemplo de conversión en Fig. 5b.

Fig. 5. Conversión del sistema IT tras la primera falla:
a) en el sistema TT (conexión a tierra por separado o en grupo: véase Fig. 3a, Fig. 3b), b) en el sistema TN (conexión a tierra común: véase Fig. 3c)

Para determinar correctamente el tiempo necesario para la desconexión automática de la alimentación, tal como lo indican los requisitos de la norma HD 60364-4-41, el diseñador de la instalación fotovoltaica debe especificar el esquema en el que se convertirá el sistema IT tras la primera falla en el circuito.

De acuerdo con la norma mencionada, para los circuitos finales cuya intensidad de corriente no excede:

63 A para circuitos de alimentación provistos de al menos una toma de enchufe;
32 A para circuitos de alimentación que alimentan solamente dispositivos eléctricos permanentemente conectados a los mismos

el tiempo máximo hasta la desconexión se indica en el Cuadro 1. Esta misma norma estipula que en el caso de los esquemas TN y TT con circuitos finales cuya intensidad de corriente supera los valores mencionados se debe contemplar un tiempo de desconexión inferior a:

5 segundos para el sistema TN,
segundo para el sistema TT.

Una planta fotovoltaica grande (con potencia de 1 MWp) se considera como un sistema en el que la intensidad de la corriente en los circuitos de alimentación sí excede los 63 A, por lo que se contempla el tiempo máximo hasta la desconexión de 1 ó 5 segundos.

Cuadro 1. Requisitos de duración hasta la desconexión automática de la alimentación conforme a la norma HD 60364-4-41 para tomas con corriente nominal ≤63 A y receptores permanentes con corriente nominal ≤32 A

Esquema	50 V < U₀ ≤ 120 V [s] - AC	50 V < U₀ ≤ 120 V [s] - DC	120 V < U₀ ≤ 230 V [s] - AC	120 V < U₀ ≤ 230 V [s] - DC	230 V < U₀ ≤ 400 V [s] - AC	230 V < U₀ ≤ 400 V [s] - DC	U₀ > 400 V [s] - AC	U₀ > 400 V [s] - DC
TN	0,8	Nota 1*)	0,4	5 o 1**)	0,2	0,4	0,1	0,1
TT	0,3	Nota 1*)	0,2	0,4	0,07	0,2	0,04	0,1

U₀ – tensión nominal CA o CC del conductor lineal con respecto a tierra

*) Nota 1. La desconexión puede ser necesaria por motivos distintos de la protección contra choques eléctricos

**) La duración hasta la desconexión de 1 s se especifica en la norma HD 60364-4-41:2017-09 más reciente.

Segunda falla en el circuito

A diferencia de la primera falla, la segunda falla en el circuito resulta en la creación de un clásico bucle de defecto generando una corriente de cortocircuito mucho más elevada. Por lo tanto, para la medición de la impedancia del bucle de defecto en el sistema IT es necesario analizar distintas circunstancias considerando varias configuraciones de la puesta a tierra y posibles estados de cortocircuito.

Fig. 6. Corriente de cortocircuito en el sistema IT con conexión a tierra común durante una falla doble:
a) dos fallas: L3-GND (#1), L1-GND (#2), b) falla L3-GND (#1) y falla entre fases L1-L2 (#2)

Segunda falla en el sistema IT contemplado como sistema TN

Si todas las partes conductoras del sistema están conectadas a un conductor de protección común (Fig. 3c), durante la segunda falla en el circuito la corriente de cortocircuito depende de la impedancia del bucle de defecto. Es imprescindible considerar el peor de los casos, es decir, que se produzcan simultáneamente dos fallas, posiblemente en distintos circuitos. Por ejemplo, la fallo en una de las fases con la parte conductora expuesta se producirá en el inversor más alejado del transformador, mientras que la falla de otra fase tendrá lugar en otro inversor (también considerablemente lejano al transformador), y la corriente de cortocircuito de estas dos fallas fluirá mayoritariamente por otros tramos de las conexiones de compensación. Estamos hablando de un sistema con un solo conductor de compensación, tal como se presenta en Fig. 3c. En esta configuración, la distancia del trayecto de falla incrementará el doble (por lo tanto, en ambas fórmulas, el valor 2 se encuentra en el denominador).

Aunque existen sistemas IT con conductor neutro (véase Fig. 2), más a menudo nos los encontraremos sin ese conductor. Hay que considerar los dos casos, utilizando las fórmulas adecuadas.

Sistema IT sin conductor neutro
Z_S ≤ U / (2·I_a)

Sistema IT con conductor neutro
Z’_S ≤ U₀ / (2·I_a)

donde:

Z_S, Z’_S - impedancia del bucle de defecto compuesto por el conductor de fase y el conductor de protección (Z_L+Z_PE),
U₀ - tensión nominal entre la fase y el conductor neutro (U_L-N),
U - tensión nominal entre las fases (U_L-L),
I_a - corriente que provoca el accionamiento del mecanismo de seguridad en el momento oportuno, de acuerdo con los requisitos contemplados para los sistemas TN (véase apartado 6 del presente artículo)..

Segunda falla en el sistema IT contemplado como sistema TT

Si las partes conductoras expuestas del sistema IT están conectadas a tierra por separado o en grupo (Fig. 3a, Fig. 3b), el sistema se debe considerar un esquema que se convertirá en un sistema TT. Para la desconexión automática de la alimentación, independientemente de los mecanismos de seguridad empleados (disyuntores, interruptores diferenciales), tiene que cumplirse la siguiente condición de la protección contra choques eléctricos:

R_a ≤ U_L / I_a

donde:

R_a – resistencia de la toma de tierra y de los conductores de protección,
U_L – tensión de contacto admisible (50 V en condiciones estándares, 25 V o 12 V en condiciones de riesgo elevado),
I_a – corriente que provoca el accionamiento del mecanismo de seguridad en el momento oportuno para el sistema TT (consulte el apartado "Primera falla en el circuito" de este artículo).

Procedimiento de medición

Una vez estudiada la documentación del proyecto (los diagramas suelen estar disponibles en el centro de transformación) y obtenida toda la información necesaria, podemos pasar a la medición.

¿Seguro? ¿Tenemos el medidor adecuado, los equipos de protección individual y herramientas que permitan realizar la medición en condiciones de seguridad?

En grandes instalaciones fotovoltaicas (aprox. 1 MWp), normalmente se utilizan inversores con una tensión de servicio de 1500 V CC / 800 V CA. No obstante, cabe destacar que en las condiciones reales la tensión de la parte CA puede exceder los 850 V, lo cual no debe sorprender. En la actualidad, en el mercado existe solamente un medidor capaz de medir la impedancia del bucle de defecto en estas condiciones tan particulares: se trata del medidor Sonel MZC-340-PV. Este dispositivo se ha diseñado para el trabajo con una tensión de hasta 900 V CA y, sobre todo, cumple los requisitos de la categoría de medición CAT IV 1000 V.

Ojo: Aparte de la categoría de medición del medidor, ¡deben considerarse también otros aspectos! También los útiles empleados en las mediciones deben ser de la categoría adecuada, ya que cuando el producto trabaja en combinación con otros instrumentos o accesorios, se utiliza la categoría de medición más baja de los dispositivos conectados. En el caso del dispositivo Sonel MZC-340-PV esto no supone ningún problema: sus accesorios específicos también pertenecen a la categoría CAT IV 1000 V.

Además, vamos a necesitar equipos de protección individual, como guantes dieléctricos, un casco con pantalla, un indicador de voltaje y un equipo de puesta a tierra (sección recomendada del cable de cortocircuito ≥35 mm²).

Ojo: Aunque desde el punto de vista práctico podría parecer más fácil emplear el equipo de puesta a tierra en los soportes de fusibles, los conectores de regleta y los seccionadores de fusibles, no es recomendable. Esto es porque el cartucho de fusibles tiene que permanecer en el circuito a la hora de conectar la línea conectada a tierra, lo cual puede crear el riesgo de que se produzca un bucle de defecto si antes falla otra fase de la que estamos conectando a tierra (se produce la primera falla en el circuito).

Mediciones de Z_S entre fases

Tras desconectar el inversor elegido, utilizamos el medidor Sonel MZC-340-PV para medir los siguientes pares de fases: L1-L2, L1-L3 y L2-L3. Guardamos cada resultado obtenido en la memoria del medidor. Al realizar la medición con pinzas de cocodrilo, hay que asegurar que sus mordazas hagan pleno contacto con los bornes de tornillos. Si no se pueden conectar las pinzas (problema que suele surgir bastante a menudo), hay que emplear sondas de punta, seguramente presionándolas contra los bornes de tornillos de las distintas fases.

Fig. 7. Imágenes que presentan el método de conexión al circuito elegido por medio de pinzas de cocodrilo (izquierda) o sondas de punta (derecha)

Fig. 8. Medición del bucle de defecto para las fases: a) L1-L2, b) L1-L3, c) L2-L3, d) resultados guardados

Las mediciones de Z_S en el inversor y la falla de línea en el centro de transformación (el caso de doble falla en el circuito)

Igual que en el caso de las mediciones entre fases, desconectamos el inversor. En el otro extremo de la línea ensayada, en el centro de transformación, desconectamos la línea entrante de este inversor: para ello, desconectamos el seccionador de fusibles de regleta. Alternativamente, desconectamos todo el centro de la tensión. Empleando un indicador de voltaje, hay que asegurarse de la ausencia de tensión en el circuito ensayado (el hecho de haber desconectado la línea correcta). El equipo de puesta a tierra se fija primero en el potencial de tierra (por ejemplo, toma de tierra de protección del centro) y luego a la fase de la línea recién desconectada (por ejemplo, L3). De esta forma, hacemos una simulación de una falla en el circuito de esta línea.

Fig. 9. Esquema de actividades a realizar para preparar el elemento para la medición
1. Desconexión del circuito por medio del seccionador de fusibles de regleta. 2. Fijación del equipo de puesta a tierra al conductor PE del centro. 3. Puesta a tierra de la línea L3. 4. Conexión de puesta a tierra al borne V de la fase L3: posible, aunque no recomendada. 5. Circuito conectado de nuevo

Por motivos de seguridad, no recomendamos colocar el equipo de puesta a tierra en los rieles de interruptores compactos (entre el transformador y los seccionadores de fusibles de regleta) ni en una de las tomas de baja tensión del transformador. Por ese mismo motivo, tampoco recomendamos puentear el descargador de chispas del transformador.

Fig. 10. Métodos de simular una falla en el circuito: a) en la salida del seccionador de regleta (seguro), b) en el riel del interruptor compacto (peligroso), c) puente en el descargador de chispas (peligroso)

Tras simular la primera falla en el circuito, podemos conectar la alimentación mediante el seccionador de fusibles de regleta anteriormente desconectado. Alternativamente, si se había desconectado toda la alimentación del centro, conectamos el interruptor compacto a distancia. ¡No activamos el inversor!

En el inversor, uno de los cables de medición del medidor Sonel MZC-340-PV (el que acaba en la pinza de cocodrilo) se conecta a la estructura metálica de soporte de los panales fotovoltaicos para asegurar una conexión directa con la toma de tierra (fleje). El otro cable de medición se conecta a la fase L1 (tensión medida: 847 V CA). Dicho de otra manera, en el sistema en el que en la fase L3 se ha simulado la primera falla en el circuito, en los bornes del inversor se establece el punto de la segunda falla (el medidor produce un cortocircuito controlado), tal como se muestra en Fig. 6a. Guardamos el resultado obtenido en la memoria del medidor como L1-PE.

Sin desconectar el cable con la pinza de cocodrilo de la toma de tierra (PE), cambiamos el otro cable de la fase L1 a la fase L2 y realizamos la segunda medición. Guardamos el resultado obtenido en la memoria del medidor con el apunte «L2-PE».

Fig. 11. Mediciones a distancia con el medidor Sonel MZC-340-PV

Las mismas conexiones y mediciones se realizan para las demás fases de determinada línea del inversor elegido. En el centro, una vez desconectada la alimentación, cambiamos el cable de puesta a tierra de la fase L3 a la fase L2 para simular una falla en el circuito de la misma. A continuación, conectamos la alimentación y medimos la impedancia del bucle de defecto para L1-PE y L3-PE en el inversor guardando los resultados obtenidos en la memoria del medidor.

Luego, tras volver a desconectar la alimentación en el centro, pasamos el equipo de puesta a tierra a la fase L1. Después de conectar la alimentación, medimos la impedancia del bucle de defecto para L2-PE y L3-PE y guardamos los resultados.

Una vez terminadas las mediciones, debemos restablecer el estado inicial de la instalación. Cabe asegurarse de que todos los conductores y bornes (incluido el borne V), si se han desenroscado, se han vuelto a fijar con el par de apriete conforme a las especificaciones de la documentación técnica. Para ello, debemos usar una llave dinamométrica.

Explicación de los resultados obtenidos

Para evaluar la eficacia de la protección contra choques eléctricos y la selectividad de los mecanismos de seguridad, analizaremos los resultados obtenidos basándonos en el ejemplo de la impedancia del bucle de defecto para la conexión L1-PE con la fase L3 conectada a tierra. Consideramos que las mediciones entre fases (por ejemplo, L1-L2) no requieren más interpretación, aunque se puede preparar un análisis detallado para el conjunto elegido de conexiones en caso necesario.

Parámetros medidos para L1-PE

Impedancia del bucle de defecto: Z_S=170,8 mΩ

Evaluación del mecanismo de seguridad en base a la curva de duración-intensidad

Para comprobar la eficacia de la protección contra sobreintensidades, hay que referirse a la curva del mecanismo de seguridad empleado. En este caso:

Tipo de mecanismo de seguridad: Ultra Quick NH1 M1 gS 200A 800V AC
Fabricante: ETI Ultra Quick NH1 M1 gS 200A 800V AC (pág. 121).

Fig. 12. Curvas de duración-intensidad de los cartuchos de fusibles ETI Ultra Quick NH1 M1 gS 800 V CA

En base a la documentación de proyecto de la instalación ensayada, determinamos que, con la segunda falla en el circuito, el sistema IT se convertirá en un sistema TN (todas las estructuras de soporte de los paneles con inversores están conectadas a una toma de tierra PE común y al centro de transformación: véanse Fig. 3c, Fig. 4b).
Asumiendo los criterios para el sistema ensayado con una tensión nominal de 800 V CA, el tiempo máximo requerido hasta la desconexión en el sistema TN son 5 s.

Comprobación de la condición de desconexión automática de la alimentación

Para garantizar la eficacia de la protección contra choques eléctricos en el sistema IT, hay que comprobar que la impedancia del bucle de defecto ZS medida cumple el criterio de desconexión de la instalación en no más de 5 s.

Cálculo de la impedancia máxima admisible del bucle de defecto

De acuerdo con su definición, la impedancia del bucle de defecto Z_S medida no puede exceder el valor límite Z_Smax, por lo que:

Z_S ≤ Z_Smax
Z_Smax = U₀/(2·I_a)
Zs≤ U₀/(2·I_a)

donde:

U₀ – tensión nominal de fase con respecto a tierra. En este caso, en el marco de la segunda falla, la tensión entre fases del sistema IT se convierte en la tensión de fase del sistema TN en el que se ha convertido el sistema contemplado (por ejemplo, para el sistema IT de una tensión nominal entre fases de 800 V en la fórmula debemos especificar esta tensión, 800 V).
I_a – corriente de desconexión del mecanismo de seguridad al cabo de 5 s como máximo (877 A para el fusible utilizado).

Comparación con el valor real de la impedancia del bucle de defecto

Valor medido de Z_S: 170,8 mΩ

Valor límite de Z_Smax:

Z_Smax = U₀/(2·I_a) = 800 V / (2*877 A) = 800 V / 1754 A = 456,1 mΩ

Ya que Z_S ≤ Z_Smax:

170,8 mΩ ≤ 456,1 mΩ

… esto quiere decir que la condición para la desconexión automática de la alimentación se ha cumplido.

Conclusión

La impedancia del bucle de defecto medida cumple los requisitos para la desconexión automática eficaz de la alimentación en el intervalo máximo requerido de 5 s con el uso del mecanismo de seguridad NH1 M1 gS 200 A.

Recapitulación y recomendaciones para las mediciones de la impedancia del bucle de defecto en sistemas IT de las plantas fotovoltaicas

La medición de la impedancia del bucle de defecto en los esquemas IT de las plantas fotovoltaicas con tensión superior a 800 V requiere extremar las precauciones, utilizar equipos de medición adecuados y emplear procedimientos específicos que garanticen la seguridad de los profesionales responsables de efectuar las mediciones. El incumplimiento de las condiciones puede resultar en un choque eléctrico o daños graves en la instalación.

Recomendaciones relativas a la seguridad y buenas prácticas de medición

En las mediciones deben participar por lo menos dos personas con las licencias adecuadas (E+D u otras emitidas por asociaciones locales de electricistas cualificados en el país correspondiente), así como con la formación y experiencia necesarias en el trabajo con sistemas del esquema IT.
Antes de comenzar el trabajo, hay que analizar los posibles escenarios de emergencia y explicar el procedimiento a seguir en situaciones de amenaza a la seguridad.
Antes de iniciar las mediciones, hay que estudiar la documentación técnica de la planta, incluidos los diagramas eléctricos, el esquema de las tomas de tierra y el tipo de medidas de seguridad utilizadas.
Primero, hay que preparar y aprobar un plan de las actividades de conexión para evitar desconexiones descontroladas que pudieran provocar un cortocircuito o suponer una amenaza para la seguridad del personal (los trabajos se deben llevar a cabo de modo que no se desconecte toda la planta).
Siempre hay que utilizar equipos de protección certificados para el trabajo bajo tensión, incluidos los siguientes:
- guantes aislantes de la electricidad (adecuados para la tensión de servicio),
- casco de protección,
- calzado aislante de la electricidad,
- ropa ignífuga,
- cubiertas y alfombrillas aislantes de la electricidad en la zona de trabajo.
Para medir la impedancia del bucle de defecto en los sistemas IT en los que la tensión entre fases pueda exceder los 800 V (por ejemplo, en sistemas IT de una tensión nominal de 800 V), siempre hay que utilizar un medidor de categoría CAT IV 1000 V, porque durante estas mediciones la tensión entre fases en el sistema IT se convierte en tensión con respecto a tierra. En la actualidad, el único instrumento que cumple esta condición es el medidor Sonel MZC-340-PV. Otros instrumentos (como Metrel Eurotest XC MI 3152, Chauvin Arnoux C.A 6117, Sonel MZC-330S) no se pueden utilizar, porque pertenecen a la categoría CAT IV 600 V, por lo que se pueden emplear para medir sistemas IT con tensión inferior a 600 V.

Para terminar, cabe también destacar las dificultades relacionadas con las mediciones en vista de las condiciones de REN (Rasjonell Elektrisk Nettvirksomhet, organización competente en materia de normas y directrices para el sector energético en Noruega) y los requisitos relativos a la medición de la impedancia del bucle de defecto en sistemas IT, sobre todo en instalaciones industriales, infraestructura eléctrica o instalaciones especializadas, como piscifactorías. El tema resulta particularmente difícil teniendo en cuenta la tensión de 1000 V, la cual está al límite de la tensión baja y media.

Según RENblad 9116, se debe llevar un seguimiento del aislamiento (las fallas en el circuito pueden permanecer sin detectar durante mucho tiempo: incluso 4 semanas) y es necesario usar las medidas de seguridad adecuadas. Por su parte, RENblad 4002 LS Nett establece requisitos relativos a asegurar la alimentación de 1000 V en los sistemas IT. Esta tensión plantea otros retos para los profesionales electricistas que realizan mediciones de la impedancia del bucle de defecto, sobre todo debido a los requisitos específicos de la norma de protección contra choques eléctricos.

La medición de la impedancia del bucle de defecto en estas condiciones resulta difícil, porque con la tensión de 1000 V, que queda al borde entre la baja y media tensión, hay que considerar unos requisitos especiales relativos a la seguridad. Una impedancia del bucle de defecto demasiado elevada puede hacer que el sistema de protección no funcione en el momento oportuno, provocando el peligro de choque eléctrico cuyas consecuencias pueden ser mucho más graves que en el caso de sistemas de tensión más baja. Además, en este tipo de instalaciones, hay que proporcionar medidas adecuadas de protección complementaria, lo cual se traduce en más requisitos a cumplir por parte de los profesionales de medición.

Por lo tanto, la medición de Z_S en instalaciones con tensión de 1000 V requiere gran precisión y diligencia para garantizar la plena seguridad de los usuarios y la conformidad con los requisitos de las normas de protección contra choques eléctricos.

Artículos recomendados y materiales de referencia

https://www.elektro.info.pl/artykul/ochrona-przeciwporazeniowa/157042,ochrona-przeciwporazeniowa-w-sieci-o-ukladzie-zasilania-it
HD 60364-6
HD 60364-4-41
EN 62446
HD 60364-7-712
Documentación técnica del medidor Sonel MZC-340-PV
Materiales técnicos y publicaciones sobre mediciones en redes IT (disponibles en polaco):
- Pomiar impedancji pętli zwarciowej w instalacjach fotowoltaicznych dużych mocy z magazynowaniem energii
- Pomiary impedancji pętli zwarciowej na farmach fotowoltaicznych
- Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT
- Pomiar impedancji pętli zwarciowej w sieci IT na farmie fotowoltaicznej i przy napięciu 800 V: https://www.youtube.com/watch?v=YrJR7udyHMg
- Pomiar impedancji pętli zwarciowej przy doziemieniu w stacji transformatorowej instalacji PV: https://www.youtube.com/watch?v=0sYoykiI9rs
- Wiatr J., Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT: https://elektroenergetyka.pl/upload/file/2020/04/wiatr_kwiecien_2020.pdf
- Eaton-engineering-guide-2023-pl.pdf – Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym – System IT

Autores:
Ing. M.Sc. Wojciech Siergiej, Ing. M.Sc. Witold Dekiert, Ing. M.Sc. Robert Pawłowski
Sonel S.A.