Protección contra rayos y sobretensiones para sistemas de almacenamiento de baterías

Varios miles de millones de rayos caen en el mundo cada año. Solo en Europa, se registran anualmente más de 50 millones de rayos y la tendencia va en aumento. Si cae un rayo en las inmediaciones, daña los edificios y las infraestructuras: los rayos pueden provocar incendios o daños por sobretensiones en los dispositivos y sistemas eléctricos. Esto último también se aplica a la caída de rayos a una distancia de hasta 2 km.

La conmutación de un sistema de almacenamiento de baterías o de un transformador en la red puede provocar sobretensiones de conmutación y daños. A menudo, solo se necesitan sobretensiones muy pequeñas para dañar los equipos electrónicos.

 

Daños en los sistemas de almacenamiento de baterías
Los sistemas de almacenamiento de energía son una de las tecnologías clave de la revolución energética, ya que permiten almacenar la electricidad producida localmente en el sitio. Estos sistemas almacenan la energía generada, por ejemplo, por sistemas fotovoltaicos y turbinas eólicas, y la retroalimentan según la demanda. Gracias al almacenamiento descentralizado, también refuerzan la estabilidad de la red y el operador de la red puede utilizarlos para proporcionar energía equilibrada. La proporción cada vez mayor de energías renovables conduce a un aumento en el número de sistemas de almacenamiento conectados a la red necesarios. En consecuencia, esto aumenta la eficiencia de las energías renovables.

La implementación de inversores con filtros de red mejora la calidad de la tensión. Además, el almacenamiento de la batería para la red eléctrica constituye la base para la gestión de la energía (lo que se conoce como ‘peak shaving’).

Con el fin de proporcionar una protección óptima para la electrónica los sistemas de almacenamiento se necesitan una protección integral contra sobretensiones; más aún, teniendo en cuenta que el lugar de instalación y las condiciones de funcionamiento pueden variar considerablemente debido al carácter móvil de los contenedores y a su instalación prevista en todo el mundo.

El mayor peligro para los sistemas de almacenamiento de baterías es la descarga de rayos. La sobretensión resultante supera con creces la resistencia dieléctrica de los componentes electrónicos del sistema de almacenamiento. Además, los picos de tensión relacionados con la red, por ejemplo, por las operaciones de conmutación o los cortocircuitos a tierra, deben considerarse una amenaza potencial. El resultado son componentes electrónicos defectuosos; por ejemplo, tecnología de la información y la comunicación e inversores o unidades de batería defectuosos. En el caso de un impacto directo de rayo, el techo metálico también puede ser perforado, lo que provoca daños por agua cuando llueve.

La disponibilidad constante de estos sistemas de almacenamiento es también una cuestión clave. Dado que los daños provocan graves consecuencias económicas y costosos trabajos de mantenimiento y reparación, es importante prever un concepto fiable de protección contra rayos y sobretensiones.

 

¿Qué dice la norma?
La serie de normas IEC 60364 comprende normas de instalación y, por tanto, es aplicable a las instalaciones fijas. Los sistemas de almacenamiento de baterías no móviles y con cableado permanente entran en el ámbito de aplicación de la norma IEC 60364.

La norma IEC 60364-4-44 trata de la protección de los sistemas eléctricos en caso de sobretensiones transitorias resultantes de influencias atmosféricas transmitidas a través de la red de suministro, incluidas las caídas directas de rayos en las líneas de suministro y las sobretensiones transitorias causadas por operaciones de conmutación.

LEMP = Pulso ElectroMagnético de Rayo. (Figura 1) 

Además, las sobretensiones pueden ser causadas por operaciones de conmutación, cortocircuitos a tierra o el disparo de fusibles (denominado SEMP, Switching ElectroMagnetic Pulse).

La necesidad de medidas de protección contra sobretensiones evalúa el riesgo del lugar, define las categorías de protección contra sobretensiones y los correspondientes niveles de tensión nominal soportada por impulso de los equipos, y define si son necesarios dispositivos de protección contra sobretensiones adicionales. También considera la disponibilidad requerida del sistema. Se realiza un análisis de riesgos según la norma IEC 62305-2 para determinar qué medidas externas de protección contra el rayo son necesarias, por ejemplo, qué clase de LPS debe tenerse en cuenta en la planificación y aplicarse en el concepto de protección contra el rayo. Si, por ejemplo, el análisis de riesgos revela la necesidad de un sistema de protección contra el rayo de la clase 3 de LPS, debe seguirse la norma IEC 62305-3.

‘Sistemas estacionarios de almacenamiento de energía en baterías para la conexión a la red de baja tensión’ también estipula que deben preverse medidas de protección contra rayos y sobretensiones en el concepto de conexión. Si se aplican medidas de protección contra el rayo y las sobretensiones de acuerdo con las normas IEC 60364-4-44 e IEC 62305, éstas deben instalarse de acuerdo con la norma IEC 60364-5-53.

 

Causas de las sobretensiones transitorias
Un impacto directo en el sistema de almacenamiento de baterías o en la línea de suministro se caracteriza por una corriente de rayo con la forma de onda impulso 10/350 μs. Los impactos de rayos distantes o los llamados indirectos provocan corrientes parciales de rayo conducidas (forma de onda de impulso 10/350 μs) en las líneas de alimentación, o también acoplamientos inducidos/capacitivos (impulso 8/20 μs) en los componentes electrónicos del propio sistema de almacenamiento

 

Sistema  de almacenamiento fotovoltaico (contenedor metalico con puntas captadoras)
Si las plantas  fotovoltaicas están equipadas con un sistema de almacenamiento de  batería, los equipo electrónico, las baterías y el inversor deben estar protegidos contra las sobretensiones.

La figura 2 muestra un sistema de almacenamiento fotovoltaico (construcción de un contenedor) que descarga el impacto directo del rayo a la red de tierra a través de la carcasa metálica del contenedor. Para evitar que un rayo directo funda los agujeros de la cubierta metálica, las cuatro esquinas están equipadas con puntas de terminación de aire como puntos de impacto definidos. El sistema de puesta a tierra ilustrado consiste pletina de 30 x 3,5 mm o, alternativamente, un cable redondo de 10 mm de diámetro.

Para garantizar la durabilidad y la funcionalidad del sistema de puesta a tierra, es aconsejable utilizar un material resistente a la corrosión permanente, como el acero inoxidable V4A (1.4404). Esto garantiza la seguridad de las personas y la descarga de las corrientes de alumbrado a la tierra durante muchos años. El equipo que se encuentra en el interior del contenedor está protegido de forma similar a una jaula de Faraday, es decir, se deben mantener las distancias de separación con los componentes eléctricos del interior. Deben instalarse descargadores de corriente de rayo y de sobretensión adecuados lo más cerca posible de la entrada de las líneas de alimentación de la red eléctrica en el contenedor, para descargar cualquier acoplamiento de impulsos de interferencia a través de cables de cobre.