Interruptor de Circuito por Falla de Arco (AFCI) Para Sistemas Fotovoltaicos—Parte(II)

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2.1 Principios técnicos del AFCI

Un arco es un fenómeno de resplandor causado por la ionización del aire cuando un conductor eléctrico está cerca de otro conductor (o tierra) y el voltaje entre ellos descompone el aire.

Un arco produce altas temperaturas y a veces puede resultar en flama. En un sistema eléctrico, los arcos no solo hacen que los materiales de aislamiento circundantes se rompan o carbonicen y se vuelvan ineficaces, sino que también pueden encender fácilmente los materiales cercanos.

En un sistema fotovoltaico, los arcos pueden ser causados por terminales sueltos, mal contacto, cables rotos, materiales de aislamiento envejecidos, carbonizados o dañados, o cables húmedos y corrosivos. Es probable que se produzcan arcos eléctricos ya que hay muchos terminales de cableado en el lado de CC del sistema fotovoltaico.

La Figura 1-4 muestra los tipos de arcos que se pueden generar en un arreglo fotovoltaico. En principio, un arco puede ser aproximadamente equivalente a una conexión en serie entre una resistencia variable y una fuente de voltaje (como se muestra en la Figura 2-1), y el voltaje del arco aumenta a su vez con la corriente y el espacio libre.

Figura 2-1 Circuito equivalente del arco aproximado
Figura 2-1 Circuito equivalente del arco aproximado

El modelo de arco es un modelo no lineal variable en función del tiempo. Una señal de arco es similar a una señal de ruido blanco, y la energía de la señal de arco se distribuye en casi todos los espectros, representada por un aumento de energía de diferentes bandas de frecuencia, como se muestra en la Figura 2-2. En esta figura, hay una diferencia de espectro obvia entre un sistema de arco y sin arco, lo que significa que la generación de arco en un circuito se puede determinar monitoreando los parámetros eléctricos y los cambios de espectro en el sistema.

Figura 2-2 Espectros de arco vs. Sistemas sin arco
Figura 2-2 Espectros de arco vs. Sistemas sin arco

La energía de la señal característica del arco disminuye a medida que aumenta la longitud del cable de entrada y la corriente del arco, como se muestra en la Figura 2-3. En la detección de arco, es necesario evitar tanto la activación de falsas alarmas como la desaparición de alarmas, ya que agravan el accidente. En la mayoría de los casos, la energía del arco acumulada antes de la protección se usa como un parámetro clave, que se usa para establecer indicadores para medir la precisión del AFCI.

Figura 2-3 Relación entre la señal energética característica del arco y la corriente del arco/ longitud del cable
Figura 2-3 Relación entre la señal energética característica del arco y la corriente del arco/ longitud del cable

2.2 Dificultades en el Desarrollo de la Tecnología AFCI

Actualmente, la detección de arco de CC utiliza principalmente el dominio de frecuencia de voltaje / corriente de arco, incluyendo, pero no limitado a, información característica como el punto de frecuencia, la energía y la variación, para realizar el análisis y la determinación. De hecho, algunos utilizan el paquete de algoritmo integrado proporcionado por el proveedor antes de realizar la puesta en servicio utilizando diferentes parámetros de umbral. Dado el principio de detección de arco, la solución de detección existente y el nivel técnico, se deben abordar las siguientes dificultades:

(1) Adaptabilidad al ruido

El entorno de ejecución en sitio de los dispositivos es complejo. El algoritmo de detección de arco y la configuración del umbral en la solución tradicional se basan principalmente en la experiencia humana. Sin embargo, cuando el ruido ambiental se encuentra cerca de las características del espectro del arco, las características del espectro del arco no se pueden distinguir de manera efectiva, lo que puede resultar en una falsa alarma. Además, en la detección de arco de tierra y en paralelo, el piso de ruido varía en diferentes entornos, lo que significa que la tecnología actual no puede identificar los arcos de manera efectiva.

(2) Adaptabilidad de la escena

Con el desarrollo tecnológico y la evolución tanto de los módulos fotovoltaicos como de los inversores fotovoltaicos, la corriente de operación de los módulos fotovoltaicos y la potencia nominal del inversor aumentan constantemente. En escenarios de aplicación reales, la longitud del cable de entrada y la corriente máxima del arco pueden exceder las condiciones de prueba especificadas en los estándares actuales. Por ejemplo, para el diseño de la una instalación con un inversor de 100 kW, el cable de alimentación de entrada puede tener una longitud superior a 200 m, y la corriente máxima de un solo MPPT puede superar los 26 A. Como se muestra en la Figura 2-3, la señal característica del arco se debilita gradualmente a medida que la aumenta la corriente y la longitud del cable, lo que plantea mayores requisitos en la precisión del instrumento y el algoritmo de detección.

2.3 Estándar

Actualmente, muchos países y regiones han formulado o determinado los estándares para la detección de arco y el apagado de sistemas fotovoltaicos distribuidos en techos. Estos estándares incluyen UL 1699B y NEC 2017 690, adoptados por los EE. UU. Y Canadá, e IEC 63027, liderados por Europa y laboratorios IEC. UL 1699B-2018 “Photovoltaic (PV) DC Arc-Fault Circuit Protection” es el estándar más utilizado, mientras que IEC 63027 aún se está redactando. La Tabla 3-1 enumera los principales parámetros especificados en estos estándares.

ItemUL 1699B – 2011UL 1699B – 2018IEC 63027
 Tipo de arcoArco en serie o arco en serie / paralelo (sin requisitos obligatorios) Arco en serie Arco en serie
 Longitud del cable 61 m50 μH + 0.7 μH por metroMás de 80 metros 50 μH
Capacitancia al suelo – ±1 nF ±1 nF
Brecha de protecciónDuración del arco < 2s; energía del arco < 750 JDuración del arco < 2.5s; energía del arco < 750 JDuración del arco < 2.5s; energía del arco < 750 J
    Eliminación de fallas     Eliminación manual Eliminación automática después de un desfase de 5 seg;Eliminación manual;Eliminación manual requerida si más de 5 fallas por arco se detectan en 24 horasEl dispositivo de protección se debe resetear automáticamente después de 3 minutos;Cuando el aparato de protección necesita resetearse por segunda vez, el reseteo automático debe esperar al menos 10 minutosSi el element de protección se resetea automáticamente 5 veces en un día, el siguiente debe ser manual
 Localización de la falla Del lado de la entradaDel lado de la entrada y entre los módulos fotovoltaicos Del lado de la entrada y entre los módulos fotovoltaicos
Tabla 3-1 Requerimientos de desempeño de UL 1699B e IEC 63027 (draft)

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