Los puntos de conexión a tierra múltiples reducen las sobretensiones provocadas por rayos en los paneles solares hasta en un 55 %

Un equipo de investigación de Indonesia ha propuesto una estrategia novedosa de puesta a tierra para mitigar la sobretensión provocada por los rayos en los sistemas fotovoltaicos, mediante la identificación de ubicaciones óptimas para los puntos de puesta a tierra y la evaluación de diferentes configuraciones de puesta a tierra.

“Las investigaciones anteriores generalmente han protegido los paneles solares mediante un sistema de protección contra rayos (LPS) con pararrayos conectados a conductores de bajada, como los pararrayos de Franklin”, destacaron los científicos. “Este estudio considera la posibilidad de que los rayos caigan directamente sobre los paneles solares o sus soportes, incluso si se cuenta con un LPS instalado. Esto permite que la corriente fluya a través de los paneles solares hasta el punto de puesta a tierra”.

Los investigadores desarrollaron un modelo de circuito eléctrico equivalente para investigar la respuesta de sobretensión transitoria de los sistemas fotovoltaicos ante los impactos de rayos. El conjunto simulado constaba de diez paneles solares, cada uno con una potencia nominal de 200 W, que representaban una sección de una instalación fotovoltaica más grande. Utilizando el software ATPDraw 7.2, modelaron las características eléctricas de los marcos de los paneles fotovoltaicos, las estructuras de montaje, los conductores de puesta a tierra y los electrodos mediante parámetros equivalentes de resistencia, inductancia, capacitancia e inductancia mutua.

Los impactos de rayos se simularon utilizando una fuente de corriente Heidler con una amplitud máxima de 50 kA y una forma de onda de impulso de 1,2/50 μs. Se investigaron dos configuraciones: la puesta a tierra directa a través de los marcos de los módulos fotovoltaicos y la puesta a tierra a través de las estructuras de montaje. Las simulaciones evaluaron los efectos de la resistividad del suelo, la ubicación del punto de puesta a tierra y el número de conexiones de puesta a tierra en la distribución de la sobretensión transitoria.

Los investigadores variaron las ubicaciones de los puntos de conexión a tierra para determinar cómo la trayectoria eléctrica entre el punto de impacto del rayo y la conexión a tierra influye en los niveles de sobretensión. También compararon configuraciones de conexión a tierra simple y doble para evaluar los beneficios de las conexiones adicionales. El modelo supuso que los marcos metálicos de los módulos fotovoltaicos estaban interconectados eléctricamente y evaluó las diferencias de tensión con respecto a un potencial de referencia, excluyendo los mecanismos de daño físico y las diferencias de potencial que involucran a los conductores de energía fotovoltaica y a los inversores.

Los resultados mostraron que al aumentar la resistividad del suelo de 30 Ωm a 3,000 Ωm, los niveles de voltaje transitorio aumentaron significativamente en ambas configuraciones. A resistividades más bajas, los voltajes más altos se produjeron cerca del punto de impacto del rayo, mientras que a 3,000 Ωm, se desplazaron hacia la conexión a tierra. La conexión a tierra a través de las estructuras de montaje generalmente dio como resultado voltajes máximos más bajos debido a su menor resistencia eléctrica.

A una resistividad del suelo constante de 30 Ωm, las tensiones máximas oscilaron entre 1,97 MV y 2,64 MV para la puesta a tierra del marco, y entre 2,14 MV y 2,43 MV para la puesta a tierra basada en el sistema de montaje, dependiendo de la ubicación de la conexión. En ambos casos, colocar el punto de puesta a tierra lo más cerca posible del punto de inyección del rayo minimizó las tensiones máximas al acortar la trayectoria de descarga de la corriente y reducir su impedancia.

La introducción de un segundo punto de puesta a tierra redujo aún más las tensiones transitorias entre un 47,5 % y un 54,8 % para la puesta a tierra del bastidor, y entre un 43,2 % y un 50,7 % para la puesta a tierra basada en el soporte. Los investigadores atribuyeron estas mejoras a una menor impedancia de puesta a tierra y a una disipación más eficiente de la corriente de rayo. La corriente máxima simulada alcanzó los 48,78 kA, lo que los investigadores describieron como un valor dentro de los límites de seguridad de la norma IEEE Std 80, la Guía del IEEE para la seguridad en la puesta a tierra de subestaciones de corriente alterna.

Los resultados indican que la ubicación de los puntos de puesta a tierra y el número de conexiones tienen una mayor influencia en la mitigación de las tensiones transitorias que la elección entre la puesta a tierra del bastidor y la basada en el soporte. En particular, las trayectorias de descarga más cortas, una menor resistencia de puesta a tierra y múltiples conexiones de puesta a tierra pueden mejorar sustancialmente el desempeño de la puesta a tierra.

En general, el estudio destaca la importancia de los puntos de puesta a tierra ubicados estratégicamente, las condiciones de suelo de baja resistividad y la puesta a tierra multipunto para reducir la sobretensión inducida por rayos y mejorar la confiabilidad de las instalaciones fotovoltaicas.

La nueva metodología se presentó en el artículo «Study of the selection of an individual grounding location point against direct lightning strikes on solar panel systems» (Estudio de la selección de un punto de conexión a tierra individual frente a descargas directas de rayos en sistemas de paneles solares), publicado en Results in Engineering. El grupo de investigación estuvo integrado por científicos del Institut Teknologi Sepuluh Nopember y de la Universitas Hasanuddin de Indonesia.