Los 10 errores principales en el cableado de protección de CC que provocan fallos catastróficos: Guía para ingenieros

A través del objetivo de una cámara térmica, la caja era una zona catastrófica. Mientras que la temperatura ambiente en el tejado era de 40 °C (104 °F), los terminales del interior del combinador brillaban a unos aterradores 180 °C (350 °F). Un análisis post-mortem demostró que la causa era un mal apriete de los terminales. Dos años de ciclos térmicos diarios -la dilatación y contracción del calor solar- habían aflojado progresivamente las conexiones. Esto creó puntos de alta resistencia que actuaron como elementos calefactores en miniatura, cocinando lentamente los componentes hasta que todo el conjunto estuvo al borde de un incendio catastrófico.

Este escenario es mi mundo. Como ingeniero superior de aplicaciones, he tenido que investigar docenas de fallos como éste. La dura realidad es que, aunque la tecnología solar es más fiable que nunca, la singular física de la corriente continua (CC) no perdona. A diferencia de la corriente alterna (CA) que alimenta nuestros edificios, la CC no extingue de forma natural su propio arco, lo que la hace mucho más peligrosa cuando se maneja mal.

La buena noticia es que estos fallos pueden evitarse casi por completo. No se deben a fenómenos exóticos, sino a un puñado de errores comunes y fundamentales cometidos durante la fase de diseño e instalación. Esta guía es una recopilación de los 10 principales errores que observo sobre el terreno cada año. Si domina estos conceptos, no sólo garantizará la seguridad y longevidad de sus sistemas, sino que se convertirá en un auténtico profesional del sector.

Error #1: Utilización de dispositivos de CA en Circuitos de CC

Este es posiblemente el error más común y peligroso que puede cometer un instalador novato. Tomar un disyuntor de CA estándar del camión e instalarlo en una caja combinadora de CC es una receta para el desastre.

El error: Asumir que un disyuntor es un disyuntor. Los instaladores utilizan fusibles, disyuntores o interruptores de CA en circuitos de CC, a menudo porque son más baratos o más fáciles de conseguir.

Por qué es peligroso: La CA y la CC son fundamentalmente diferentes. La corriente alterna pasa por el cero 120 veces por segundo (en un sistema de 60 Hz). Este momento de “paso por cero” proporciona una oportunidad para que un dispositivo de protección contra sobreintensidades extinga el arco eléctrico que se forma cuando se abren sus contactos. Una corriente continua, por el contrario, es un flujo continuo e incesante. Cuando un dispositivo de CC se abre bajo carga, debe estirar y enfriar el arco por sí solo, sin la ayuda de un paso por cero. Un disyuntor de CA utilizado en un circuito de CC probablemente fallará al despejar un fallo, permitiendo que se forme un arco sostenido. Este arco es esencialmente plasma, alcanzando miles de grados, lo que fundirá el dispositivo, quemará la carcasa y provocará un incendio.

La solución:

1. Verifique siempre el valor nominal de CC: Utilice sólo componentes que estén explícitamente listados para uso en CC (por ejemplo, UL 489B para disyuntores de caja moldeada de CC, o fusibles con clasificación gPV).
2. Compruebe las marcas de tensión y corriente: Un dispositivo de CC correctamente clasificado tendrá marcas claras de tensión de CC (VCC) y amperaje. Si sólo indica “VCA”, no es adecuado para su sistema fotovoltaico.
3. Comprender las marcas: Busque la clase de fusible gPV distintiva para aplicaciones específicas solares o el símbolo de línea recta (-) para CC, en contraposición al símbolo de línea ondulada (~) para CA.

Lo más importante: Si no pone DC, no lo uses. Y punto.

Error #2: Errores de tensión nominal

La tensión es presión eléctrica. Si la presión es superior a la nominal de su contenedor, éste fallará. En un sistema fotovoltaico, este fallo puede ser explosivo.

El error: Seleccionar dispositivos de protección con una tensión nominal inferior a la tensión máxima posible del sistema.

Por qué es peligroso: La tensión de una cadena de paneles solares no es constante. Es más alta en circuito abierto (Voc) y aumenta en tiempo frío. El artículo 690.7 de NEC exige a los instaladores que calculen la tensión máxima del sistema en función de la temperatura ambiente más baja prevista para el lugar. Un disyuntor de 600 VCC instalado en un sistema que puede alcanzar 650 VCC en una fría mañana de invierno es un fallo crítico a punto de producirse. Una condición de sobretensión puede hacer que el dispositivo no interrumpa un fallo, provocando un arco eléctrico, o puede causar una ruptura dieléctrica, en la que el aislamiento del interior del dispositivo falla de forma catastrófica.

La solución:

1. Calcule la tensión máxima del sistema: Utilice los factores de corrección de temperatura de la tabla 690.7(A) de NEC para hallar el VC corregido para la temperatura mínima récord de su ubicación. Por ejemplo, una cadena con un Voc de 580V a 25°C podría superar fácilmente los 650V a -10°C.
2. Seleccione Dispositivos según corresponda: Elija fusibles, disyuntores y seccionadores con una tensión nominal de CC igual o superior a esta tensión máxima calculada.
3. Considere todo el sistema: Esto se aplica a todos los componentes: combinadores, recombinadores, inversores y seccionadores desde el conjunto hasta el inversor.

Consejo profesional: Añade siempre un margen de seguridad. Si su tensión máxima calculada es de 590 V, no utilice un dispositivo de 600 V. Páselo a la siguiente tensión nominal estándar (por ejemplo, 800 V o 1.000 V) para aumentar la seguridad y la fiabilidad.

Error #3: Inversión de Polaridad en Interruptores Polarizados

En el mundo de la CC, la dirección importa. Muchos disyuntores de CC son “polarizados”, lo que significa que están diseñados para que la corriente fluya a través de ellos en una sola dirección.

El error: Cablear un disyuntor de CC polarizado al revés, conectando la fuente al terminal de carga y viceversa.

Por qué es peligroso: Los disyuntores polarizados contienen pequeños imanes permanentes. Estos imanes están colocados estratégicamente para ayudar a empujar el arco eléctrico en el “conducto de arco” cuando se abren los contactos. El conducto del arco es una cámara de aletas metálicas diseñada para estirar, enfriar y extinguir el arco. Si cablea el disyuntor al revés, los imanes empujarán el arco en el dirección opuesta-lejos del conducto de arco y directamente en el cuerpo de plástico inflamable del propio disyuntor. Esto destruirá instantáneamente el disyuntor y, casi con toda seguridad, provocará un incendio en el interior de la caja.

La solución:

1. Identifique los terminales: Busque las marcas “+” y “-”, o las etiquetas “LINE” y “LOAD” en el disyuntor. En las aplicaciones solares, el lado de “LÍNEA” debe conectarse siempre a la fuente (las cadenas fotovoltaicas) y el lado de “CARGA” al destino (la barra colectora o el inversor).
2. Comprueba dos veces tus conexiones: Antes de energizar el sistema, trace físicamente sus cables y confirme que cada dispositivo polarizado esté conectado correctamente.
3. Forme a su equipo: Este es un punto crítico de formación para todos los instaladores. Todo el mundo en el lugar de trabajo debe entender la función de los dispositivos polarizados y las graves consecuencias de cablearlos al revés.

Lo más importante: En un disyuntor de CC polarizado, LÍNEA y CARGA no son sugerencias, son un requisito de seguridad crítico.

Error #4: Dimensionamiento incorrecto de la sobrecorriente

Dimensionamiento de los dispositivos de protección contra sobreintensidades (OCPD) para No es lo mismo dimensionar circuitos solares que cargas de CA estándar. Si se utilizan cálculos erróneos, pueden producirse disparos molestos o, lo que es peor, un fallo total en la protección del circuito.

El error: Dimensionamiento de un fusible o disyuntor sólo en función de la corriente de la placa de características del panel (Isc) o utilizando las reglas estándar de dimensionamiento de CA.

Por qué es peligroso: Se consideran circuitos solares a carga continua y están sujetas a “efectos ”borde de la nube", donde el paso de las nubes puede provocar un aumento temporal de la irradiancia, incrementando la salida de corriente. El artículo 690.9(A) de NEC exige una fórmula de dimensionamiento específica para tener en cuenta ambos factores. Dimensionar un fusible demasiado pequeño hará que se funda en condiciones normales de pico (disparo molesto). Un fusible demasiado grande no protegerá a los conductores del sobrecalentamiento durante un fallo, creando un riesgo de incendio.

La solución: El NEC dicta un cálculo en dos partes, que se combinan en un único multiplicador: 1.56.

1. Calcule la calificación requerida: El valor mínimo de OCPD es la corriente de cortocircuito de la cadena (Isc) multiplicada por 1,56.
   • Potencia nominal requerida = Isc × 1,25 (para carga continua) × 1,25 (para sobreirradiancia) = Isc × 1,56
2. Seleccione el siguiente tamaño estándar: Una vez calculado el valor nominal necesario, debe seleccionar el siguiente talla estándarpara su fusible o disyuntor. Por ejemplo, si tienes una cadena con un Isc de 9,8A:
   • Potencia requerida = 9,8 A × 1,56 = 15,29 A
   • El siguiente fusible estándar es de 20A. Un fusible de 15 A sería demasiado pequeño y provocaría disparos molestos.

Consejo profesional: Consulte siempre la ficha técnica del módulo para conocer el “Capacidad máxima del fusible en serie”. El tamaño OCPD calculado no debe superar este valor. Si lo hace, el diseño de su cadena es defectuoso.

Error #5: Ignorar el derrateo por temperatura

El valor nominal de corriente estampado en un disyuntor o fusible sólo es válido a una temperatura ambiente específica y controlada (normalmente 40°C para los disyuntores, 25°C para los fusibles). Una caja combinadora en un tejado comercial negro de Texas no es un entorno controlado.

El error: No ajustar la capacidad de transporte de corriente de un dispositivo de protección a la temperatura ambiente real dentro de la caja.

Por qué es peligroso: El calor es el enemigo de los componentes eléctricos. Un disyuntor con una capacidad nominal de 100 A a 40 °C sólo puede soportar 85 A de forma continua cuando la temperatura en el interior de la caja del combinador alcanza los 60 °C (140 °F). Si está haciendo pasar 90 A a través de él, el mecanismo de disparo térmico interno del disyuntor se activará, provocando un disparo molesto. Esto provoca paradas del sistema y costosas llamadas para solucionar problemas. En el caso de los fusibles, las altas temperaturas ambiente pueden degradar el elemento fusible con el tiempo, provocando su fallo prematuro.

La solución:

1. Temperatura estimada del recinto: Determine una temperatura interna realista para su caja combinadora. Una regla empírica habitual es añadir 20-30 °C a la temperatura máxima media diurna más alta del lugar, especialmente en el caso de recintos expuestos al sol directo.
2. Consulte las fichas técnicas de los fabricantes: Busque la tabla de reducción de temperatura en la ficha técnica del aparato. Allí encontrará factores de corrección para distintas temperaturas.
3. Aplique el factor de corrección: La fórmula es: Capacidad efectiva = Capacidad nominal × Factor de corrección. Para tallar correctamente, hay que trabajar hacia atrás: Potencia nominal requerida = Amperios del circuito / Factor de corrección.
   • Ejemplo: Necesita proteger un circuito de 40A dentro de una caja que alcanzará los 60°C. La hoja de datos del disyuntor muestra un factor de corrección de 0,85 a 60°C.
   • Potencia nominal requerida = 40A / 0,85 = 47A. Tendría que seleccionar un disyuntor de 50 A para manejar con seguridad 40 A en ese entorno caluroso.

Lo más importante: Asuma que su combinador estará caliente y dimensione sus dispositivos de protección en consecuencia. El valor nominal es un punto de partida, no la respuesta final.