Cómo un instalador fotovoltaico comercial redujo el tiempo de inactividad por falla de arco en un 85 % con una caja combinadora AFCI de CC

Antecedentes del cliente

Una empresa regional de EPC solar comercial, con sede en Arizona, se especializa en sistemas fotovoltaicos de montaje en techo y en suelo para almacenes y centros de distribución. La empresa instala aproximadamente 25 MW al año, con proyectos típicos que van desde 500 kW hasta 3 MW. Sus clientes son operadores logísticos y proveedores de almacenamiento en frío que necesitan activos solares confiables con interrupciones mínimas de energía.

Desafíos con cajas combinadoras estándar y AFCI a nivel de inversor

Durante años, el instalador utilizó cajas combinadoras de CC estándar con solo fusibles y un seccionador de CC. La protección contra fallas de arco se manejó a nivel del inversor, pero esto causó dos problemas recurrentes. En primer lugar, la detección a nivel del inversor no pudo aislar qué cadena o caja combinadora tenía la falla, lo que obligó a los equipos a verificar cada conector en el techo. En segundo lugar, los inversores generaron disparos falsos durante el cambio de red y el arranque del inversor, apagando todo el conjunto.

El incidente más grave involucró un conector suelto dentro de una caja combinadora que creó una falla de arco en serie. El arco ardió durante semanas antes de que una inspección térmica lo detectara. Ese evento provocó un incendio y desencadenó una reclamación de responsabilidad de seis cifras. El equipo de EPC sabía que necesitaban una protección contra fallas de arco más cercana a la fuente, pero actualizar módulos AFCI externos en cajas combinadoras existentes era costoso y complicado. Cada módulo requirió cableado, gabinetes y coordinación separados con el inversor.

¿Por qué la caja combinadora AFCI de CC de 12 en 1 salida de Soutya?

La compañía evaluó tres opciones: continuar solo con AFCI de nivel de inversor, agregar módulos AFCI externos o cambiar a una caja combinadora de AFCI de CC integrada. Los módulos externos cumplieron con los requisitos de UL 1699B, pero agregaron más de $2000 por combinador y prolongaron la instalación en varias horas por unidad. La caja Soutya integrada combinaba 12 entradas de cadena, detección de fallas de arco por cadena, protección contra sobrecorriente y un dispositivo de protección contra sobretensiones en un solo gabinete. Estaba listado según UL 1699B y estaba diseñado para manejar voltajes de sistema de 600 VCC y 1200 VCC, que coincidían con las especificaciones de proyecto estándar de la empresa.

La decisión se redujo a la economía de la instalación y la confiabilidad del sistema. Con la caja Soutya, el equipo solo necesitaba montar la unidad, conectar los cables de la cadena y establecer los parámetros del umbral AFCI. No se requirieron módulos externos ni gabinetes adicionales. El diseño integrado también redujo la cantidad de puntos de terminación, lo que redujo el riesgo de futuras fallas de arco. La prueba de campo en un proyecto de tejado de 1,2 MW convenció al equipo de ingeniería de que el producto funcionaría en condiciones reales.

Proceso de implementación

El proyecto piloto fue una instalación en la azotea de 1,2 MW en un centro de distribución refrigerada. La instalación se llevó a cabo durante dos semanas, con 24 cajas combinadoras Soutya DC AFCI distribuidas por el techo. Cada caja combinaba 12 cadenas, con una salida alimentada al inversor central.

• Preparación y montaje del sitio.: Las cajas combinadoras se montaron en bastidores de puntales preinstalados cerca de las paredes exteriores. El cableado de CC de los conjuntos se introdujo en los prensaestopas y se terminó en los terminales de entrada.
• Configuración AFCI: El instalador establece el umbral de detección de falla de arco de cada canal usando los interruptores DIP incorporados y un medidor de voltaje. La función de autoprueba verificó el circuito de detección de arco en las 12 entradas sin provocar un apagado molesto.
• Coordinación con el inversor.: La salida de cada caja combinadora se conectó al bus de CC del inversor. La señal de disparo AFCI se conectó a la entrada de parada remota del inversor, lo que garantiza que el inversor se apague dentro de los 0,5 segundos de una falla, más del doble del requisito de 2 segundos establecido en UL 1699B.
• Puesta en servicio: Después de la energización, la tripulación realizó una serie de simulaciones manuales de fallas de arco utilizando un generador de arco calibrado. Las 24 cajas detectaron los arcos y transmitieron la señal de disparo correctamente.

El único paso difícil fue integrar la señal de disparo AFCI con un modelo de inversor más antiguo que carecía de una entrada de apagado dedicada. El equipo resolvió esto cableando el relé de disparo al controlador del interruptor de desconexión de CC del inversor, una modificación que tomó 30 minutos por inversor. Este fue un cambio de ingeniería único y no afectó al resto de la instalación.

Resultados cuantificables

Después de un año completo de funcionamiento, el sistema piloto produjo mejoras mensurables en comparación con los diseños de cajas combinadoras anteriores de la empresa.

• El tiempo de inactividad relacionado con fallas de arco se redujo un 85%– de una media de 12 horas por trimestre a menos de 2 horas. La eliminación de desconexiones falsas sólo desde el arranque del inversor ahorró 8 horas de tiempo de inactividad por trimestre.
• Se detectaron y aislaron dos fallas de arco reales– uno causado por un conector MC4 corroído y otro por un tornillo del terminal flojo. Ambos eventos se detectaron antes de que ocurriera el daño térmico, lo que evitó un costo estimado de $50,000 en posibles costos de reparación y responsabilidad.
• La tasa de viajes falsos bajó de 5 por año a 1. El único disparo falso se produjo durante un evento inusual de voltaje de la red pública y el reinicio tomó 10 minutos.
• El tiempo de instalación por caja combinadora disminuyó en un 40%– de 4 horas a 2,5 horas – porque el equipo ya no tuvo que instalar dispositivos AFCI y cajas de conexiones por separado.

El cliente aprobó la implementación del mismo diseño de caja combinadora en sus próximos tres proyectos, por un total de 4 MW de capacidad.

Testimonio del cliente

"La caja combinadora Soutya AFCI eliminó una capa de complejidad de nuestros diseños. Detectó una falla de arco que el inversor nunca vio y la puesta en servicio fue sencilla. Hemos estandarizado esta caja para todas nuestras instalaciones comerciales". — Ingeniero eléctrico superior

Lecciones y recomendaciones

• La protección contra fallas de arco pertenece al nivel del combinador, no al inversor.Las cajas combinadoras son el punto de unión de mayor riesgo para fallas de arco en serie debido a las muchas terminaciones en un gabinete pequeño. La implementación de la detección allí proporciona una respuesta más rápida y una mejor resolución de problemas.
• AFCI integrado reduce el costo total del sistema.Aunque la caja Soutya cuesta un 30 % más que una caja combinadora estándar, la eliminación de módulos AFCI externos y la reducción de la mano de obra de instalación produce un ahorro neto de aproximadamente $1000 por caja. Para un proyecto de 1 MW con 20 cajas, eso supone un ahorro de 20 000 dólares.
• La puesta en marcha y la autoprueba son fundamentales.Verifique el comportamiento del AFCI antes de energizar el conjunto. Además, coordine la lógica de disparo con el inversor para garantizar que el apagado sea suficiente para cumplir con los requisitos de UL 1699B y NEC 690.12.
• Si volviera a visitar el proyecto, el equipo agregaría monitoreo remoto del estado de AFCI.Esto permitiría una localización de fallos aún más rápida y evitaría que los técnicos subieran al tejado innecesariamente.

Referencias

• UL 1699B:2018 Protección de circuitos fotovoltaicos (PV) contra fallas de arco de CC
• IEC 62548:2016 Conjuntos fotovoltaicos (PV). Requisitos de diseño.
• NEC 690.12 Apagado rápido de sistemas fotovoltaicos en edificios (NFPA 70)