Cómo la caja combinadora 4 en 1 de CA de 690 V reduce las fallas del lado CA de una planta solar en un 78 %

Un operador de activos solares a escala comercial en el sur de Europa gestiona 85 MW de capacidad fotovoltaica montada en suelo en doce sitios. Cada sitio utiliza inversores de cadena de alta potencia que generan 690 V CA. Antes de la modernización, la conexión del lado de CA entre cuatro inversores y un transformador elevador era el punto más propenso a fallos de toda la planta. Después de modernizarla con la caja combinadora 4 en 1 de CA de 690 V de Soutya, el operador redujo el tiempo de inactividad por fallas del lado de CA en un 78 % en seis meses.

¿Cuáles eran los antecedentes y la situación operativa del cliente?

La empresa opera varias plantas fotovoltaicas de 5 MW a 10 MW construidas entre 2017 y 2020. En cada planta, grupos de cuatro inversores suministran 690 V CA a través de cajas de conexiones separadas y aparamenta individual antes de ingresar a un transformador de media tensión.

El cableado antiguo y los equipos de protección no integrados se habían convertido en un problema de confiabilidad. Las plantas contaban con un pequeño equipo de operación y mantenimiento, y el tiempo promedio para diagnosticar un problema en el lado del aire acondicionado excedía el medio día. A medida que la región adoptaba ventanas de tarifas de alimentación más cortas, el propietario necesitaba mayor disponibilidad y menor costo de servicio por kilovatio-hora.

¿Qué hizo exactamente que el cableado del lado de CA fuera un cuello de botella recurrente?

Antes de la modernización, cada salida del inversor conducía a una caja de conexiones genérica de 690 V CA equipada con disyuntores de caja moldeada, descargadores de sobretensiones atornillados y bloques de terminales separados. Estas cajas no proporcionaban un espaciamiento igual de fases ni una disipación de calor adecuada. Las fallas se produjeron en tres formas principales:

• Los terminales sueltos en los alimentadores de 690 V provocaron sobrecalentamiento y disparos intermitentes.
• Los descargadores se montaron sin la coordinación adecuada de tipo 2, por lo que los transitorios inducidos por rayos dañaron las etapas de potencia del inversor dos veces en un año.
• Debido a que el mantenimiento de un inversor requería abrir un recinto activo, los trabajadores tuvieron que apagar todo el grupo de cuatro inversores, lo que produjo pérdidas de generación de aproximadamente $920 por hora por planta.

El costo anual total de estas fallas del lado de CA (incluidos materiales de reparación, mano de obra y pérdida de ingresos) fue de $23 000 por sitio de 10 MW.

¿Por qué elegir la caja combinadora 4 en 1 de CA de 690 V Soutya?

El operador revisó tres alternativas: tableros de distribución de CA estándar de un fabricante de paneles local, desconexiones comerciales con fusibles y la caja Soutya. El cuadrista no pudo entregar un cuadro de distribución de 690 V CA que pasara las pruebas de protección contra sobretensiones de tipo 2 requeridas por IEC 61643-11. Las desconexiones con fusibles carecían de una coordinación adecuada en caso de cortocircuito con el transformador aguas abajo.

La caja combinadora 4 en 1 de CA de 690 V de Soutya coincidía exactamente con la topología eléctrica existente. Combina cuatro entradas de 690 V CA en una salida protegida con cuatro disyuntores de entrada y un disyuntor de salida único. El dispositivo de protección contra sobretensiones integrado está clasificado según IEC 61643-11 y el diseño del gabinete proporciona compartimentos separados para cableado y barras colectoras activas. Esto redujo el espacio necesario en más del 60% en comparación con el tablero de distribución anterior.

¿Cómo se implementó la solución en varios sitios?

El proyecto de instalación se desarrolló en tres fases durante cuatro meses. El equipo seleccionó la planta con el mayor historial de fallas como sitio piloto.

Los principales pasos fueron:

1. Desenergizó el lado de CA de un grupo de cuatro inversores y eliminó el gabinete existente.
2. Monté la caja Soutya en un marco unistrut existente cerca del transformador.
3. Se terminaron cuatro cables de cobre de 185 mm² desde los inversores y un cable de 300 mm² hasta el transformador.
4. Configuró las clasificaciones del disyuntor de entrada para que coincidan con la protección de salida del inversor y configuró el SPD al voltaje del sistema de 690 V CA.
5. Puse en funcionamiento la salida de monitoreo a RS485 y verificó los umbrales de disparo contra el SCADA de la planta.

Una dificultad típica era que los cables de salida existentes de los cuatro inversores tenían diferentes longitudes y se encontraban en diferentes recorridos de bandeja. Eso provocó impedancias de línea ligeramente desequilibradas. La solución fue instalar enlaces ecualizadores de barras colectoras y recortar las longitudes de los cables dentro de cada grupo; la temperatura de la terminal se mantuvo uniforme después de un día de funcionamiento a plena carga.

¿Qué resultados mensurables logró la planta?

Seis meses después de la primera instalación, el operador comparó el sitio piloto con su desempeño histórico:

• La frecuencia de fallas del lado de CA cayó de doce incidentes por año a menos de tres, una reducción del 75%.
• El tiempo de inactividad no programado por fallas de 690 V CA se redujo un 78 %, lo que representa 11,5 horas adicionales de operación a plena carga por grupo de inversores por año.
• El costo anual de las fallas del lado de CA, incluida la pérdida de producción, disminuyó de $21 000 a $5500 por planta de 10 MW.
• El tiempo de instalación de cada grupo de inversores se redujo de dos días completos a cuatro horas, lo que ahorró 1.600 dólares en mano de obra por sitio.
• El aislamiento de un único inversor para mantenimiento ya no requiere apagar todo el grupo; el grupo permanece en línea al 75% de su capacidad.

¿Qué dice el jefe de planta?

El director de ingeniería de la planta del operador describió el efecto: "La caja combinadora de CA de 690 V de Soutya eliminó los peores fallos térmicos y de sobretensión que teníamos en 690 voltios. En doce meses, no hemos vuelto a apretar un terminal de alimentación y podemos aislar un solo inversor sin detener la producción de todo el bloque. Ese cambio se amortizó por sí solo en este proyecto".

¿Qué pueden aprender otros operadores industriales y solares de esta modernización?

Este caso apunta a varias lecciones, que no se limitan a la planta original.

• La protección del lado de CA merece el mismo rigor en las especificaciones que la protección de string del lado de CC. Los SPD probados según IEC 61643-11 tipo 2 y las prácticas de diseño de matrices IEC 62548 deben reflejarse en la salida de CA.
• Una caja combinadora completa de 4 en 1 reduce la mano de obra de instalación y el tiempo de búsqueda de fallas en plantas de modernización donde el espacio físico es fijo.
• Antes de elegir una caja, inspeccione la longitud de los cables, el aislamiento y el recorrido de las bandejas; una impedancia de bloqueo igual reducirá el riesgo de puntos críticos.

Si el operador repitiera el proyecto, pediría una caja de repuesto en el lote inicial y realizaría escaneos de imágenes térmicas durante la puesta en servicio, porque esos escaneos permitían las verificaciones finales del terminal y su trazabilidad. Desde entonces, la compañía ha aplicado la misma caja combinadora de CA de 690 V a sus plantas más antiguas de 10 MW y espera la misma mejora de disponibilidad en toda la cartera de 85 MW.

Referencias de la industria:

• IEC 62548:2016 Conjuntos fotovoltaicos (PV). Requisitos de diseño. (Fuente: https://webstore.iec.ch/publication/62548)
• IEC 61643-11:2011 Dispositivos de protección contra sobretensiones de bajo voltaje. Parte 11: SPD conectados a sistemas de energía de bajo voltaje. (Fuente: https://webstore.iec.ch/publication/61643-11)