Los pulsos electromagnéticos de gran altitud (HEMP, por sus siglas en inglés) generados por las explosiones nucleares a gran altitud provocadas por los ensayos de armas nucleares pueden producir sobretensiones y corrientes dañinas en los sistemas eléctricos y electrónicos de la Tierra, con graves consecuencias para los propios sistemas, así como para las redes eléctricas y el suministro de electricidad.
Tanto Estados Unidos como la Unión Soviética realizaron sus mayores pruebas de armas nucleares a gran altitud en 1962. En ambos casos, se registraron daños significativos en las redes eléctricas. Por esta razón, varias instituciones de investigación han estudiado en los últimos años hasta qué punto los pulsos ectromagnéticos pueden afectar al suministro eléctrico tanto a nivel nacional como macrorregional, en un esfuerzo por identificar posibles opciones para mitigar los impactos.
Siguiendo este planteamiento, un grupo de investigadores de la Universidad de Tennessee y del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE.UU. ha investigado recientemente la sensibilidad a los HEMP de los inversores solares. “Nuestro trabajo aporta información sobre la protección de los inversores solares y la defensa contra los HEMP”, declaró a pv magazine el autor principal de la investigación, Qiu Wei.
Los científicos explicaron que los HEMP se propagan en tres etapas que se suelen clasificar como E1, E2 y E3, y que cada componente se define por unas características espaciales y temporales diferentes. “La E1 es el comienzo de la explosión y varía rápidamente en cientos de nanosegundos”, destacaron. “La energía de E1 es mucho mayor que la de E2 y E3, y también tiene el mayor impacto en la red”.
El grupo analizó, en particular, el efecto de los HEMP en los inversores solares durante la fase E1. Utilizó una configuración de inyección de corriente de impulsos (PCI) basada en condensadores de carga/descarga y sondas de inyección para reproducir perturbaciones electromagnéticas transitorias intensas, que generalmente surgen cuando una fuente emite un impulso de energía de corta duración, y evaluar los niveles de inmunidad de tres inversores diferentes: un dispositivo de 22 kW del fabricante danés Danfoss, un inversor de 8,2 kW del fabricante austriaco Fronius y un inversor personalizado con una potencia de 6 kW.
Seleccionaron dos niveles de inmunidad “típicos” conocidos como EC5 y EC8, con tensiones abiertas de 2.000 V y 8.000 V, respectivamente.
Los investigadores también aplicaron un esquema de análisis de vulnerabilidad de puertos basado en tres analizadores vectoriales de redes (VNA) diferentes con una amplia gama de frecuencias, de 50 Hz a 1,3 GHz. Los VNA son instrumentos de prueba estándar para medir parámetros de redes eléctricas que permiten realizar mediciones en un amplio rango de frecuencias. “La vulnerabilidad del puerto se evalúa a través de su espectro y energía acumulada, y la ventaja del modelo PCI es que puede analizar rápidamente la respuesta transitoria”, explican además.
Los científicos afirmaron que su análisis demostró que los VNA coincidían entre sí, lo que garantizaba que las mediciones se habían realizado correctamente.
“Bajo los niveles de inmunidad EC5 y EC8, los resultados de las pruebas PCI muestran que la tensión y la corriente máximas bajo EC5 pueden alcanzar 1500 V y 40 A, respectivamente, mientras que EC8 puede llegar a 8000 V y 150 A, respectivamente, lo que revela que EC8 puede dar lugar a vulnerabilidades graves”, afirmaron. “Los resultados del análisis de vulnerabilidad del puerto demuestran que los inversores pueden sufrir daños debido a una tensión más alta o a un tiempo de subida más bajo, y también revelan que es difícil defenderse de EC8 debido a su frecuencia de energía más amplia, que va de 0,1 MHz a 100 MHz”.
Como estrategias de mitigación, propusieron reducir la tensión de impulso para el aislamiento funcional y básico, así como el apantallamiento y la conexión a tierra. “Una puesta a tierra adecuada requiere una resistencia de puesta a tierra pequeña y más puntos de puesta a tierra. Los cables de tierra cortos y planos deben enterrarse a gran profundidad para reducir la resistencia y la inductancia”, añadieron. “El espacio entre dos puntos de toma de tierra adyacentes debe ser pequeño. Y un punto de toma de tierra debe estar lo más cerca posible del dispositivo protegido”.
Sus conclusiones están disponibles en el artículo “Assessing the vulnerability of solar inverters to EMPs: Port testing, PCI modeling, and protection strategies” (Evaluación de la vulnerabilidad de los inversores solares a los EMP: pruebas de puertos, modelado PCI y estrategias de protección), publicado en Measurement.
El Laboratorio Nacional Oak Ridge realizó un estudio similar sobre los efectos de los PEM en los paneles solares en 2020. Estas pruebas no mostraron ninguna pérdida observable del funcionamiento del módulo solar debido a grandes transitorios del campo eléctrico.
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