Instalaciones Fotovoltaicas Más Allá del Artículo 690 del NEC 2020 - Parte 2

 

Métodos y Materiales de Cableado

Los métodos y materiales de cableado se tratan en el NEC 2020 en el Numeral IV del Articulo 690, por ejemplo se permite que los sistemas de soportes como bandejas portacables, en instalaciones fotovoltaicas al aire libre,  los cables expuestos  al aire libre en un sistema de soporte  tienen un mayor riesgo de daño y presentan un mayor riesgo en una situación de incendio. El artículo 690 establece que los cables en una bandeja de cables deben sujetarse a intervalos de 300 mm (12 pulg.) Y asegurarse al menos cada 1,4 m (4,5 pies), pero no especifica cómo se asegurarán.

Como vemos en la foto de abajo, los conductores sin soporte pueden dañar el sistema fotovoltaico y poner a cualquier persona en contacto con la matriz en riesgo de descarga eléctrica. No solo los conductores de esta matriz no están soportados correctamente, sino que también se consideran de fácil acceso y requerirían la protección adecuada.

Un cortocircuito puede liberar una cantidad considerable de energía antes de que los dispositivos de protección contra fallas tengan tiempo de reaccionar, y con una fuerza electromagnética de más de 10,000 libras, el daño puede ser significativo. IEC 61914: 2015 establece estándares para la resistencia a las fuerzas electromecánicas y describe los requisitos de prueba para la clasificación de temperatura, la corrosión, la resistencia a los rayos UV y más para garantizar que las abrazaderas para cables puedan soportar las duras condiciones del sitio de construcción. Las abrazaderas para cables que cumplen con IEC 61914: 2015 exceden los requisitos de seguridad de NEC y deben usarse siempre que sea posible.

Tipos de Conductores

En los sistemas fotovoltaicos que operen a mas de 30 voltios se pueden utilizar cables de un solo conductor como los tipos RHH o RHW-2 o USE-2 para los circuitos dentro del conjunto fotovoltaico, como se indica en 690.31 (A).Los cables tipos RHH o RHW-2 o USE-2 están construidos con cobre de temple suave, además están  aislados con una capa uniforme de polietileno reticulado negro (XLPE) resistente a la humedad, calor elevado, abrasión y a la luz solar. Se suministran en color negro siempre y con distintas formas de embalaje. También están disponibles bajo requerimientos estos conductores tipo RHH o RHW-2 o USE-2 "S" con muy bajo coeficiente de fricción, que facilita su montaje e instalación.

Cable de un solo conductor tipo - RHH o RHW-2 o USE-2

También se puede usar cable tipo MC para colocarlo sobre las bandejas portacables de fácil acceso con ampacidad de 105 ºC (221 ºF) y 125 ºC (257 ºF) permitiendo determinar el conductor según la tabla 690.31(A)(b) para temperaturas ambientes mayores a 30 ºC (87 ºF)

Cable Tipo MC (Metal-Clad Cable)

Tabla 690.31(A)(b) Conductores aislados con ampacidad nominal de hasta 2000 voltios.

Fuente: NEC 2020

Casi todos los módulos fotovoltaicos disponibles en la actualidad se envían desde el fabricante con dos conductores individuales preinstalados en la caja de conexiones del módulo. Los cables también tienen enchufes de conexión rápida llamados MC4  instalados para facilitar el cableado de campo asociado con los módulos fotovoltaicos.

Cable con Conector MC4

Cables Tipo "Y" MC4 Para Acoplamientos

Conectores MC4 Macho o Hembra (Composición)

NEC 2020 Sección 690.13 (A) Medios de Desconexión del Sistema Fotovoltaico.

Establece que si un medio de desconexión del sistema fotovoltaico se instala en un lugar donde es fácilmente accesible para personas no calificadas, y los conductores están energizados a 30 voltios o más, entonces se requerirá que el medio de desconexión sea construido de manera que se pueda instalar una cerradura para limitar la accesibilidad o se necesite una herramienta para abrir los medios de desconexión. Este requisito cumple la disposición prevista de limitar el contacto no intencionado con partes energizadas mediante el uso de un candado o una herramienta.

La mayoría de los sistemas requieren una desconexión de seguridad con sistema de bloqueo (LOTO)

Una conexión convencional que retroalimente la red requerirá una desconexión de CA manual sin fusibles

Imagen cortesía de: Hubbell Wiring Device -Desconectivo No Metálico Modelo HBLDS3

En otro caso , una conexión de derivación del lado de la línea requerirá una desconexión de CA manual con fusible. El fusible proporciona la protección contra sobrecorriente necesaria para el circuito.

Los desconectadores de CA deben montarse en el exterior, generalmente a 10 pies o en la línea de visión directa de su medidor de facturación principal. 

Imagen cortesía de: Hubbell Wiring Device -Desconectivo No Metálico Modelo FDS30

Grounding & Bonding en Sistemas Fotovoltaicos 

• En primera instancia los sistemas de grounding & bonding tienen un rol muy importante y es proteger a los usuarios que estén laborando en áreas de estructuras fotovoltaicas mientras manipulan los diferentes equipos electrónicos y armarios de cableado, debido a que pueden provocar que las masas metálicas de los elementos anteriores queden bajo tensión.

• Protección de los equipos electrónicos y mitigar las interferencias electromagnéticas.

• Protección de los equipos electrónicos activos ante descargas eléctricas provocadas por caídas de rayos

NEC 2020 690.43 Equipment Grounding and Bonding

Partes metálicas expuestas de marcos de módulos fotovoltaicos, equipos eléctricos y cualquier envolvente que contenga conductores del sistema fotovoltaico debe estar conectado al conductor de puesta a tierra del equipo del circuito del sistema fotovoltaico de acuerdo con 250.1.34 o 250.1.36

Una buena unión de los conductores de puesta a tierra podrá garantizar “ Un camino de baja impedancia siempre y cuando se usen los componentes adecuados. Una instalación inadecuada, puede generar un punto de falla como desbalance de impedancia , calentamiento en el punto de unión ,etc.”

Es importante s garantizar que los marcos de todos los módulos fotovoltaicos, así como los sistemas de montaje de metal, sean continuos y estén conectados a tierra. Los racks de montaje fotovoltaico que no están listados para conexión a tierra deben tener puentes de conexión instalados alrededor de cada sección del rack fotovoltaico.

Malas Practicas

NEC 2020 690.47 Edificios o Estructuras que Soportan un Arreglo Fotovoltaico

La Sección 690.47 (A) Un edificio o estructura que soporte una matriz FV deberá tener un sistema de electrodos de puesta a tierra instalado de acuerdo con la Parte III del Artículo 250. 

NEC 2020 Articulo 356 Liquidtight Flexible Nonmetallic Conduit: Type LFNC

• NEC 2020 Articulo 356.1 Alcance

• Este artículo cubre las especificaciones de uso, instalación y construcción de conductos no metálicos flexibles herméticos (LFNC) (Liquidtight flexible Nonmetallic Conduit) y accesorios asociados. Este tipo de conducto es ignífugo y está aprobado para conductores eléctricos, con accesorios

Tipos de Conducto No Metálico Flexible Hermético:

1. Tipo LFNC-A : Esta compuesto por un núcleo interior liso sin costuras y una cubierta unidos entre sí y que tienen una o más capas de refuerzo entre el núcleo y las cubiertas.
2. Tipo LFNC-B :  Una superficie interior lisa con refuerzo integral dentro de la pared del conducto.
3. Tipo LFNC-C: Una superficie interna y externa corrugada sin refuerzo integral dentro de la pared del conducto.

• Los paneles solares se colocan en áreas para recibir luz solar óptima, los conductos instalados en estos lugares deben soportar altas temperaturas y bajas temperaturas en los meses de invierno. 

• Al cablear paneles solares, una de las opciones es usar nuestra tubería tipo Liquid-Tight Flexible Nonmetallic Conduit (LFNC), estos tienen la ventaja de ser más livianos , resistencia a la luz ultravioleta, permite el radio de  curvatura para las cajas de interconexiones. Instalación bajo concreto, socavamiento  directo, resistente a líquidos como el aceite, agua y otros productos clasificados que no dañen la chaqueta o cubierta. 

• Tienen  las características de protección como los tipos de conductos rígidos y certificados por la UL.

• Algunos instaladores solares querrán una apariencia limpia una vez que los paneles estén en su lugar, con un conducto mínimo visible. En algunos casos, las instalaciones serán en el suelo en lugar de un techo, con conductos enterrados en el suelo, en estos casos se necesita una calificación para enterramiento directo.

Cuando el LFNC se instala en longitudes mayores a 1.80 m, la Sec. 356.30 (1) requiere que el LFNC esté bien sujeto a intervalos no mayores de 90 cm y dentro de 30 cm de cada caja de salida, gabinete o accesorio.

Malas Practicas

El instalador unió dos piezas de tubo Conduit no metálico flexible a prueba de líquidos (LFNC). Sus conductores contenidos sin instalar ningún tipo de caja de registro

NEC 2020 Articulo 356.42 Acoplamientos y Conectores

Solo se utilizarán los accesorios enumerados para su uso con LFNC. Los conectores en ángulo no deben usarse para instalaciones de conductos de conducción ocultos . Se permiten accesorios rectos LFNC para enterramiento directo o revestimiento en concreto.

Por :Espacios Críticos Design

email: espacioscriticosdesign@gmail.com

Instagram @espacioscriticosdesign

Septiembre 2021

Instalaciones Fotovoltaicas Más Allá del Artículo 690 del NEC 2020 - Parte 1

Introducción

    El sol es una fuente de energía poderosa y gratuita que se utiliza cada vez más para capturar la energía con sistemas fotovoltaicos ,El desarrollo técnico de los paneles fotovoltaicos (paneles solares) avanza rápidamente. El material, El tipo de celda y la eficiencia se mejoran constantemente, lo que significa que los paneles ahora están disponibles en muchas variantes y en cada vez se instalan diferentes aplicaciones en más lugares. No solo se colocan en techos, pero también se integran en sistemas de fachada, obras de arte, barreras acústicas, parques solares, vehículos, etc.

    Debido a esta tendencia sobre proyectos de sistemas fotovoltaicos de han establecidos normativas para el diseño ,  la implementación y la seguridad,  debido a que las Instalación fotovoltaica como toda instalación eléctrica podrían causar un incendio. En los últimos años, ha aumentado el número de incendios relacionados con un sistema fotovoltaico. De esto, algunos han llegado a la conclusión de que estas instalaciones representan un riesgo de incendio. Sin embargo, los incendios pueden ocurrir en cualquier instalación.

    Este artículo proporciona una descripción general de algunas normas UL, IEC e IEEE que pueden funcionar con las pautas de NEC para mejorar la seguridad de las instalaciones  fotovoltaicas públicas o privados.

    En el código eléctrico NFPA 70 versión NEC 2020 en el artículo 690 se hace referencia sobre las recomendaciones que se deben seguir en las instalaciones fotovoltaicas sumadas a otras recomendaciones como la de la UL, IEC e  IEEE entre otras, buscando reducir el riesgo eléctrico.

    A nivel mundial hemos visto cómo los proyectos relacionados con "Green Energy" como granjas de sistemas fotovoltaicos y parque de aerogeneradores se han venido incrementando en muchos países a través de proyectos de los sectores públicos y privados, y en donde se podrían producir incidentes como incendios u otros tipos de fallas , y a para esto existe postulaciones en base a las mejores prácticas para evitarlos.

    La cantidad de incendios en instalaciones fotovoltaicas en áreas como por ejemplo en los tejados en las edificaciones en el caso Estados Unidos ha venido aumentó en un 70% aproximadamente entre el periodo del 2016 al 2018, según datos de la Administración de Incendios de EE. UU. (United States Fire Administration USFA ) Los sistemas de conexiones que no son protegidos, la mala conexión o la incompatibilidad en algunos casos son algunas de las causas más comunes de fallas e incendios de paneles fotovoltaicos (PV).

    

En el caso de las instalaciones fotovoltaicas de las empresas públicas con rango de operación entre 

los 1000 V a 1500 V, es fundamental proteger a los trabajadores contra fallas a tierra e incidentes de arco eléctrico. Aunque no se dispone de datos específicos sobre el ámbito de energía solar, las estadísticas de la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA Occupational Safety and Health Administration)  muestran que las industrias de servicios públicos y de la construcción experimentan las tasas más altas de lesiones eléctricas fatales y no fatales.

    Un hecho que, sí es cierto, es que los incendios, las fallas y las electrocuciones son un riesgo real con la instalación fotovoltaica. La buena noticia es que los peligros de seguridad se pueden mitigar con el conocimiento y las mejores prácticas,  en los diseños e implementación de las infraestructura para sistemas fotovoltaicos tomando como referencia el NEC 2020  específicamente en su artículo 690.

    En el Artículo 690 “Sistemas Fotovoltaicos" del NEC 2020,  vemos como se describe los requisitos de seguridad y rendimiento, pero no es lo suficientemente completo por sí solo para prevenir todas las posibles lesiones (ni debería serlo). A menudo, el artículo 690 y las recomendaciones de la UL hacen sinergia, como por ejemplo las recomendaciones relacionadas con los interruptores de circuito por falla de arco (AFCI Arc Fault Circuit Interrupters) para corriente directa . Sin embargo, existen brechas, como asegurar que los cables permanezcan asegurados en su lugar durante un evento de cortocircuito, y para eso también se hacen recomendaciones con respecto a la protección de los cables a través de tuberías metálicas o no metálicas.

foto cortesía de : Growatt

    El artículo  690.11 del NEC 2020 requiere que los sistemas fotovoltaicos instalados en edificios con un voltaje máximo del sistema de 80 voltios o más estén equipados con un medio listado para detectar e interrumpir fallas de arco en serie en la fuente fotovoltaica y los circuitos de salida. Tras la detección de una falla de arco eléctrico, el funcionamiento del sistema fotovoltaico debe desactivarse. El sistema debe proporcionar una indicación visual de que se ha detectado una falla de arco, y el sistema debe reiniciarse manualmente para restablecer el error y reanudar la operación.

¿Que es un Arco Eléctrico?

    Es cuando la corriente eléctrica salta el espacio entre dos materiales conductores y si la corriente es comparativamente baja, se producirá una chispa. Sin embargo, si la corriente es lo suficientemente alta, se genera un arco eléctrico continuo donde el aire cambia de gas a plasma capaz de soportar el arco. Las temperaturas creadas por este arco pueden superar los 6000 ° C.

 

¿Cómo se forman las fallas de arco eléctrico ?

   En una falla de arco eléctrico , se podría estar interrumpiendo la continuidad eléctrica a través de los conductores , lo que crea un espacio en la ruta conductora mientras fluye la corriente. Esto crea una chispa que ioniza el aire circundante, produciendo plasma. Si la corriente es lo suficientemente alta, se crea suficiente plasma para mantener la corriente fluyendo a través del espacio en la ruta conductora. La corriente ahora se conduce a través del plasma y es visible como un arco eléctrico. 

    Las fallas de arco de DC solo ocurren en sistemas de inversores de cadena que tienen circuitos de voltaje de DC sin protección por encima de aproximadamente 80 voltios DC, sin embargo las fallas se podrían presentar en cualquier parte del cableado eléctrico de DC que va desde los módulos solares en el techo hasta el inversor de cadena que generalmente se instala junto al cuadro de distribución principal..

    Por ejemplo en un sistema fotovoltaico a nivel del cableado eléctrico DC si se perdiera el aislamiento en los conductores positivo y negativo respectivamente se podría tener un punto de falla como un arco eléctrico en paralelo o en serie como se muestra a continuación:

    También se podrían  generar  fallas por arco eléctricos por malas practicas durante la instalación de los sistemas fotovoltaicos a nivel del cableado eléctrico DC como AC  y componentes de conexiones, como se muestra a continuación:

    

Ejemplos de posibles causas que generan arcos eléctricos en las instalaciones fotovoltaicas:

    El diseño de la bandeja portacables, la disposición de los cables y las medidas de protección son inadecuadas. Como resultado, el rendimiento de aislamiento de los cables disminuye mucho, especialmente en condiciones de calor y humedad, hacen que el aislamiento en la chaqueta se deterioren

    Los cables de los arreglos de fotovoltaicos en exteriores expuestos al  calor y la humedad pueden que los aislamiento de los cables cambien sus condiciones y se puedan producir las famosas corrientes de fuga  en un tiempo demasiado largo .Como consecuencia se podrían generar arcos paralelos entre los conductores eléctricos generando un arco a tierra, el voltaje del arco disminuye y el la corriente aumenta continuamente , y se podría  producir un incendio. 

    La temperatura del arco excesivamente alta se derrite el núcleo de cobre de los cables y el  acero en el techo, provocando mayores consecuencias a causa del fuego

    Otras posibles causas que pueden producir falla de arco eléctrico en las instalaciones eléctricas para sistemas fotovoltaicos podrían ser los siguiente y tenemos que tomar en cuenta para el diseño y mantenimiento preventivo:

• Las conexiones en las cajas de conexiones pueden deteriorarse u oxidarse con el tiempo creando puntos calientes, adicionalmente  los terminal tipo tornillo pueden desprenderse debido a cambios de temperatura

• Paneles fotovoltaicos  dañados o agrietados o dañados, podrían traer consecuencias mayores , el vidrio roto o agrietado, este vidrio frontal sirve como una capa de protección autolimpiante para las delicadas celdas que permiten que los rayos del sol accedan a las células de la manera más eficiente posible. Si el vidrio está roto o dañado de alguna manera, esto puede afectar el rendimiento y también potencialmente permitir el acceso a la tensión peligrosa a la que operan los paneles.

• Ciertas especies roedoras como los  ratones y  las ardillas son otro problema para las instalaciones fotovoltaicas debido  a que el espacio debajo de los paneles solares crea un entorno de anidación seguro en el caso de las ardillas,  dónde se sienten protegidos de depredadores como los halcones, ya estando en su zona de confort por decirlo de alguna manera tienden a comer la chaqueta aislante de los conductores eléctricos pudiendo crear ese contacto entre el positivo o el negativo del cableado de DC entre los arreglos de paneles y aguas abajos hasta la etapa del convertidor, y esto también podría suceder entre el cableado AC entre el inversor y aguas abajo hasta el centro de carga AC.

Ejemplo de daño por roedores al cableado fotovoltaico. Cortesía de Ray Youssef, ESA

¿Y cómo podemos evitar los arcos eléctricos en las instalaciones fotovoltaicas ?

Actualmente se cuentan con los AFCI   - Arc Fault Circuit Interrupter o  Interruptor de Circuito de Falla de Arco, es un dispositivo utilizado para detectar arcos en un circuito eléctrico e interrumpir el flujo de corriente. Comúnmente se instalan en los circuitos eléctricos con la finalidad de mitigar un riesgo eléctrico evitando  las posibilidades de un incendio debido a cableado defectuoso, malas conexiones o cualquier daño a los cables.  En el caso de los sistemas fotovoltaicos, su función es  detectar arcos en la caja combinadora en DC.Si ocurriera un  arco, el circuito AFCI alertará a la CPU de control principal en el inversor e interrumpirá el proceso de conversión de energía interrumpiendo así el flujo de corriente continua y reduciendo las posibilidades de incendios relacionados con el cableado en DC.   

Diagrama de Instalación de AFCI en Sistema Fotovoltaico ( Fuente : Growatt )

Recomendaciones para la protección contra roedores en las instalaciones fotovoltaicas

• Uso de Barreras

    Entre el espacio de los paneles y el techo, se puede  instalar una barrera en forma de malla de alambre que pueda adherirse al marco de un panel solar. La malla debe rodear todo el perímetro del arreglo o matriz y no debe dejar espacio para que una criatura pueda pasar. Luego, la malla debe superponerse cómodamente sobre el techo. La malla debe ser una malla de alambre con aberturas no mayores de 13 mm para que sea aceptable para la protección contra roedores. el instalador debe garantizar el flujo de aire adecuado para evitar un posible sobrecalentamiento de los cables fotovoltaicos debajo de los módulos. Esto también significa que las mallas deben mantenerse libres de hojas u otros desechos.

 

Foto: Malla marca  My Squirrel Guard instalado en un arreglo fotovoltaico

https://www.mysquirrelguard.com/

Foto: Malla marca  SolaTrim instalado en un arreglo fotovoltaico

https://solatrim.com/

• Fundas trenzadas Resistente a Roedores

Cuando los roedores mastican los cables o l, esto puede provocar cortes eléctricos e incendios, el material utilizado en esta funda expansible resistente y repele a los roedores. Viene en varios tamaños. La funda se desliza sobre los cables o tubería no metálica de la instalación eléctrica para repeler a los roedores. Además de la resistencia a las picaduras de roedores, la funda les da a los cables

• Protección contra el daño por calor
• Protección contra daños por carga
• Resistencia a la abrasión
• Resistencia al daño por impacto

Algunas están hechas  con materiales resistentes como Alambre de estaño y cobre, Alambre de acero galvanizado, Monofiles de poliamida, Monofiles de PET

" En pocas palabras, una falla de arco puede provocar un incendio."

Por :Espacios Críticos Design

email: espacioscriticosdesign@gmail.com

Instagram @espacioscriticosdesign

Agosto 2021