Cálculo de líneas de instalación fotovoltaica

Cálculo de líneas de
instalación fotovoltaica
Mario Ortiz García
Universidad Miguel Hernández
Elche
Documentación a utilizar
• Reglamento electrotécnico baja tensión y
su guía técnica
ReglamentBT2002.pdf
http://www.ffii.nova.es/puntoinfomcyt/rebt_guia.asp
• Pliegos de Condiciones Técnicos IDAE:
Conectada
Aisladas
• RD 1578/2008
• RD 1663/2000
Características cableado
• Siguen lo dispuesto por las
reglamentaciones anteriores.
• Los PCT del IDAE son los que mayor
información al respecto indican, sin
embargo aunque son usados
mayoritariamente son de uso
recomendado pero no obligatorio.
PCT conectadas
Ejemplo para instalación de
conexión en baja tensión (P<100kW)
Para mayor potencia es necesaria la
conexión a MT con un transformador
1.5%
2%
PCT aisladas
Ejemplo instalación aislada de red
con consumo mixto
Tipos de cable a utilizar
Cálculo de secciones
• Criterio caída tensión
• Criterio térmico
Criterio Caída de tensión
guia_bt_anexo_2_sep03R1.pdf
Cálculo de R
Fórmula usual de cálculo
Temperatura máxima de servicio
Cálculo de Intensidades/Potencias
• En las fórmulas anteriores aparece la
potencia pero en muchas ocasiones los
datos que disponemos son las
intensidades
• Asimismo en el cálculo de la temperatura
se hace necesario disponer de las
intensidades
Intensidades y potencias por líneas
• En la distribución de corriente continua se disponen
diversas líneas por las que transcurren intensidades que
se suman en las cajas de distinto nivel (Las cajas de
nivel suelen llevar diodos antiretorno, protección fusible
y sobretensiones).
• Por ejemplo si queremos hacer una instalación de
100kW con paneles de 215W (Vpmp=29V Ipmp=7.42A)
con un PR de 0.88 tendríamos que poner, con objeto de
garantizar las tensiones en el inversor, 26 ramas de 20
paneles.
•
El número de ramas que llegan al inversor dependerá del mismo
En nuestro ejemplo tomaremos 3 entradas, por lo que tendremos :
20 Paneles serie
…
9 Ramas
…
…
…
…
AC
…
9 Ramas
…
…
…
…
…
8 Ramas
…
CC
…
…
…
•
Esto nos daría que antes de la cajas de primer nivel tendríamos
ramas de 20 paneles en serie que corresponden a líneas de
20x215W=4300W (total de 26 ramas), y después tres líneas: 2 de
9x4300W=38700W y 1 de 8x4300W=34400W, haciendo un total de
111800W, para garantizar aproximadamente con el PR de la
instalación, por ejemplo 88%, la potencia del inversor
111800WX0.88=98384W
Cálculo Sección (I)
•
•
Los niveles de tensión serían para los dos niveles el correspondiente a los
20 paneles en serie: 20X29V=580V
La distribución en continua es equivalente a una distribución monofásica
Suponiendo una distribución como la indicada en la figura siguiente
para las 26 ramas, el cálculo sería equivalente a una distribución
puntual de 14.5m
19/2 + 5= 14.5 m
…
1m
1X19m=19m
5m
Cálculo Sección (II)
•
Por lo tanto la fórmula quedaría:
-Antes de la caja (se puede calcular a la temperatura máxima de servicio pero
normalmente no compensa el aumento de precisión y se suele hacer a la máxima del cable, que
para estas instalaciones será casi siempre 90ºC). Es preciso dividir el 1.5% entre los dos tramos,
por ejemplo 1% y 0.5%. Aunque se puede distribuir de otros modos dependiendo de las longitudes
y potencias de cada tramo. Obsérvese que tomamos cobre a 90ºC:
2·4300·14.5
_________________ = 0.84 mm2
S=
44·1/100·580·580
Que corresponde a una sección comercial de 1.5mm2
Cálculo Sección (III)
- Si suponemos que entre las cajas de nivel y el inversor hay 20m (Nota: si las distancias son
diferentes basta con hacer el cálculo para la línea de mayor distancia). Tendremos que
centrarnos en cualquiera de las dos líneas de 9 ramas, ya que la de 8 ramas es menos
restrictiva al tener menor potencia. Tomaremos aquí un 0.5% de caída de tensión límite:
2·38700·20
_________________ = 20.91 mm2
S=
44·0.5/100·580·580
Que corresponde a una sección comercíal de 25mm2
Cálculo Sección (IV)
• Para el cálculo del lado de corriente alterna usaremos la
fórmula de la caída de tensión trifásica si el inversor es
trifásico, si el inversor hubiera sido monofásico por ser
de menor potencia se hubiera utilizado la monofásica del
anterior punto. También es posible si se desea utilizar el
factor de corrección de 1.02 para alterna. Depende del
criterio del proyectista al ser una recomendación pero no
una obligación:
Cálculo Sección (V)
• Por ejemplo para una línea de 55 m desde el
inversor al contador o transformador tendríamos
(obsérvese que se toman los 100kW del
inversor):
=
100000·55
_________________ = 39.06 mm2
44·2/100·400·400
• Que corresponde comercialmente a una
S=50mm2
Ejercicio
• Calcule las secciones mínimas para una
distribución de los mismos paneles pero
con 0.75 m entre paneles, 10 m hasta la
caja nivel y desde allí 40 m hasta el
inversor. Calcule también la sección
mínima para el tramo de alterna en el
caso de ser este de 40m
Criterio térmico
• El cálculo a caída de tensión es
insuficiente sin el criterio térmico.
• Consiste en comprobar que la intensidad
de diseño es superior a la máxima
admisible por el cable: Ib<Iz
• Los valores de Intensidad máxima
admisible se pueden ver en el REBT y su
guía técnica.
Potencia<>Intensidad
• Para nuestra instalación tenemos secciones de
1.5, 25 y 50 mm2 con potencias de cálculo
máximas de 4300, 38700 y 100000 W
respectivamente.
• Es preciso utilizar las tablas en función de las
intensidades de diseño.
• Disponemos de dos tramos con fórmulas
distintas para el cálculo de dicha intensidad:
I continua
Pdiseño
=
Vrama
I alterna _ 3 F =
Pdiseño
3·400
I alterna _ MF =
Pdiseño
230
I continuaL 2
Pdiseño 38700
=
=
= 66.72 A = N ramas ·I pmp
Vrama
580
Pdiseño 4300
I continuaL1 =
=
= 7.42 = I pmp
Vrama
580
I alterna
Pdiseño
100000
=
=
= 144.376 A
3·400
3·400
Intensidades máximas admisibles (I)
•
Los tipos usuales
de instalación son
bajo tubo (B2), en
bandeja (C) y
enterrada. Si el
tramo de cálculo
tiene dos tipos se
toma el más
restrictivo como
valor.
Como bajo
tubo es más
restrictivo, nos
quedamos con
el 16.5 de este
Intensidades máximas admisibles (II)
•
En el caso de la instalación enterrada se debe tener en
cuenta la temperatura del terreno, que en nuestras latitudes
suele distar de los 25ºC, en nuestro caso supondremos
40ºC, aunque se pueden aplicar otros modificadores.
I continuaL1 = 7.42
I continuaL 2 = 66.72
cumple
cumple
I zL1 = 16.5 A
I zL 2 = 0.88·130 = 114.4 A
No cumple
I alterna = 144.376 A → 1.25·144.376 = 180.47 A *
I alterna = 0.88·155 = 136.4 A
Como vemos, el tramo entre el inversor y el punto de medida o
transformador requiere subir el nivel de tensión a una sección superior. Por
ejemplo a 70mm2 sigue sin cumplir, haciéndolo para 95 mm2:
I zL 2 ( 70 ) = 0.88·190 = 167.2 A
I zL 2 ( 95) = 0.88·225 = 198 A
* Se suele mayorar en un 25% según ITC BT 40. Realmente no es necesario en estos tipos de instalación, pues ese
25% está pensado para generadores rotativos, sin embargo para evitarse interpretaciones parciales es
recomendable aplicarlo.
Secciones finales
Finalmente el diseño a criterio térmico y a caída de tensión nos da como
secciones de diseño:
20 Paneles serie
1.5mm2
…
9 Ramas
…
…
…
25mm2
…
AC
…
9 Ramas
…
95mm2
…
…
…
…
8 Ramas
…
…
…
…
CC
Ejercicio
• Compruebe a criterio térmico las
secciones calculadas en el ejercicio
anterior realizado a mano
Protecciones
• Se debe tener en cuenta que tendremos
dos bloques de protecciones distintos para
continua y para alterna
• Se encuentran definidos de forma
particular en los PCT del IDAE y general
en el REBT
RD 1663/2000
• Muchas de las protecciones anteriores
suelen ir incluidas en el inversor. El
esquema de protecciones más usual se
puede observar en las siguientes gráficas
Cajas de nivel
•
•
•
•
En la unión de ramas suele haber un cambio de
sección. Suelen utilizarse como punto de protección
para la red de continua
Con la protección fusible es suficiente si el inversor
lleva protección frente a sobretensiones.
De todos modos para evitar daños en el inversor se
suele poner protección frente a sobretensiones entre
polos y entre polos y tierra.
También es recomendable poner diodos antirretorno
Protección frente a
sobreintensidades
•
•
•
•
•
•
•
Mientras que los interruptores diferenciales se encargan de proteger a las personas de contactos
indirectos, los interruptores automáticos de una instalación se encargan de proteger a la
instalación propiamente dicha y en consecuencia a los receptores que están conectados a ella.
La labor de proteger la instalación frente a sobreintensidades consigue evitar que la instalación
se vea dañada y pueda en muchos casos surgir un incendio.
El cortocircuito es una de las principales causas de incendio y por tanto proteger a las
instalaciones salva también vidas.
Definición
Se define sobreintensidad a todo aumento de la intensidad que circula por un circuito por encima
de su valor de diseño.
Tipos de sobreintensidad
Las sobreintensidades pueden ser provocadas por tres tipos de causas principalmente:
–
–
–
•
Desde el punto de vista del tipo de defecto que origina la aparición de la sobreintensidad
tendríamos dos tipos de sobreintensidades:
–
–
•
Sobrecargas debidas a los aparatos de utilización o defectos de aislamiento de gran impedancia.
Cortocircuitos.
Descargas eléctricas atmosféricas
Sobrecargas: Sobreintensidad que se produce en un circuito eléctricamente sano.
Cortocircuito: Sobreintensidad que aparece debida a un defecto de aislamiento entre dos puntos de una
instalación.
De modo general se puede considerar que las sobrecargas normalmente como
sobreintensidades de valores moderados mientras que los cortocircuitos hacen aumentar la
intensidad del circuito de un modo muy considerable.
Cálculo de las intensidades de
cortocircuito
•
•
•
Por las propias características de la instalación de generación fotovoltaica,
tendremos dos posibles potencias de cortocircuito, la de la red y la de nuestro
generador fotovoltaico
Esto hace que el cálculo de la instalación sea más sencillo que el de otros tipos de
instalaciones. De hecho no se puede hablar propiamente de cortocircuito en la parte
de continua si no de una sobrecarga moderada.
Para el cálculo de la intensidad de cortocircuito del lado de alterna se suele tomar 12
kA en CGP o un cálculo más complejo si la instalación consta de centro de
transformación. En el lado de alterna se hace preciso también calcular la intensidad
de cortocircuito mínima para evitar problemas por líneas excesivamente largas.
I CC
VFN
=
Z Bucle
Siendo la impedancia de bucle:
(Nota: LGA sólo si está presente):
Para la Icc máxima
Z Bucle = ( RRe d + RTrafo + R Acometida + RLGA ) 2 + ( X Re d + X Trafo ) 2
A 20ºC
Para la Icc mínima
Z Bucle = ( RRe d + RTrafo + R Acometida + RLGA + RHasta _ el _ último _ punto _ protegido + RNeutro _ Acometida + RNeutro _ LGA
+ RNeutro _ Hasta _ el _ último _ punto _ protegido ) 2 + ( X Re d + X Trafo ) 2
A 70ºC o 90ºC
Icc provocadas por el generador
fotovoltaico
• Nos debemos basar en los datos del
fabricante de paneles e inversor
Intensidades de cortocircuito a tener en cuenta
En rojo Máximas (corto trífasico en alterna)
En azul mínimas (corto monofásico en alterna)
Subrayadas valores ocasionados por la red
Sin subrayar valores ocasionados por el generador fotovoltaico
8.02 A
12kA*
8.02·9=72.18 A
3557 A** 175 A
*En este caso si suponemos que nos
conectamos directamente a la CGP y no al
embarrado del cuadro de contadores
tendríamos 12 kA
**Calculada en las siguientes páginas
•
Para calcular la intensidad de cortocircuito mínima en la línea de alterna provocada por la red
de suministro primero debemos calcular la impedancia equivalente de la red
Req =
•
230
= 0.0192Ω
12000
También es necesario calcular la impedancia del tramo a proteger. En este caso al estar
calculando el corto más pequeño en la línea de alterna se tomará a 90ºC
Req =
•
55
= 0.0132Ω
44·95
En total tendremos
Req = 0.0192Ω + 0.0132Ω = 0.03232Ω
•
Siendo el cortocircuito mínimo de:
I ccmín =
230
= 3557.66 A
2·0.03232
Condiciones de protección
• Distinguimos entre las condiciones que
deben cumplir los interruptores
magnetotérmicos y los fusibles
Condiciones protección frente a cortocircuitos en automáticos
(Normalmente no hará falta esta comprobación por proteger el cortocircuito del
generador fotovoltaico, que no es más que una sobrecarga.)
*
•
Siendo:
–
–
–
*
Pc: Poder de corte de la protección
Im: Intensidad de transición entre el disparo térmico y magnético del IA
K: Constante dependiente del aislamiento del cable a calcular (ver página siguiente)
0.1 s es el límite según norma pero si el fabricante garantiza tiempos de disparo
magnético mejores, se puede tomar estos por valor de cálculo
Condiciones protección frente a
cortocircuitos en fusibles (I)
Condiciones protección frente a
cortocircuitos en fusibles (II)
Línea de 20 paneles en serie
• Aunque no suele llevar protección fusible
estas pequeñas líneas, es preciso
comprobar que sean capaces de aguantar
la intensidad de cortocircuito de los
paneles:
Icc=8.02 A<Iz=16.5 A
Fusible cuadro continua
• Se valora sólo a sobrecargas pero con los valores
de corto en vez de los de sobrecarga
• 1) Ib=72.18 A<In=100 A< 114.4 A Cumple
• 2) I2=1.6·100=160< 1.45·114.4=165.88 Cumple
Interruptor automático, cuadro alterna
• De nuevo el cortocircuito ocasionado por el
generador fotovoltaico se valora sólo a
sobrecargas:
• 1) Ib=175 A<In=200 A< 198 A No cumple por lo
que se debe subir la sección a 120mm2 siendo
la nueva Iz=0.88x260=228.8A quedando la
condición en:
Ib=175 A<In=200 A< 228.8 A
• 2) I2=1.45·200=290< 1.45·228.8=331.76
Fusible contadores, Interruptor
automático general
•
Al proteger del cortocircuito ocasionado por la red es preciso calcularlo a
cortocircuito. Este cortocircuito dejaría en isla el inversor. Al ser el flujo de
potencia desde el inversor a la red no es necesario el cálculo a sobrecarga,
ya que en caso de fallo no estaría presente, por lo que sólo se hará a
cortocircuito la evaluación, siendo el calibre el mismo del interruptor
automático general. El fusible realmente protege los contadores en caso de
un fallo en isla. El resto de la instalación queda protegida por el automático
igualmente, por lo que estrictamente el uso del fusible no es necesario,
mientras que el del IA general que actúa como seccionador de la instalación
sí. Haremos ambas comprobaciones de todos modos, aunque sólo una es
necesaria:
– 1) Pc=50kA>12kA
– 2)
Is =
k ·S 143·120
=
= 7674 A > I F = 1000 A
5
5
Iccmax=12000>IF=1000 A
– 3)
0.8·VFN
0.8·230
Lmáx =
=
= 353.68m > 55m
ρF ρN
0.023 0.023
I F ·∑ (
)
+
) 1000·(
+
SF SN
120
70
Cálculo IA general
•
También se hace sólo a cortocircuito porque a sobrecargas es
idéntica la condición del IA del cuadro de alterna. De hecho si
ambos puntos se encuentran próximos el IA del cuadro de alterna
puede actuar como IA general:
– 1) Pc>12kA. Si se hace la protección combinada con fusible se puede
utilizar por filiación un IA de menor Poder de corte. Si no hay fusible
no.
– 2)
Iccmin=3557 A>Im
Curva de tipo B o C sería válida por ejemplo B:
Im =5x200=1000A
– 3) El tiempo de fusión será:
(k ·S ) 2 (143·120) 2
t= 2
=
= 2.0449 s
I cc max
120002
Por lo que es válido al ser siempre el tiempo de disparo <0.1s
Protección diferencial
• Basta con limitar la impedancia de tierra de las
masas de la instalación según la sensibilidad
del diferencial.
U Lc
24
24
R<
=
=
= 800Ω
I Δn 30mA 0.03 A
• Por normativa específica los valores de toma a tierra
suelen ser inferiores
• La protección frente a sobretensiones atmosféricas y
electrostática se debe garantizar asegurando la
independencia de la tierra del generador fotovoltaico de
la de las masas de la instalación
Resumen protecciones
20 Paneles serie
Fusible
100 A
+
Prot.
Sobretensiones
El inversor poseerá el
resto de protecciones
tales como el
transformador de
aislamiento,
controlador de tensión
e intensidad,
detección de
aislamiento de red…
1.5mm2
…
9 Ramas
…
…
…
…
AC
…
9 Ramas
…
…
…
…
…
CC
…
…
…
Cuadro AC
Int. Aut.
200 A
+
Int. Dif. 200 A
Con 30mA de
sensibilidad
120mm2
…
8 Ramas
Contadores
Int. Aut. Gen
200 A
+
Fusible
(opcional)
200 A
25mm2