Fundamentos: El fusible en instalaciones solares
Publicado: 19 Feb 2019, 11:29
El fusible es un elemento de protección presente en algunas instalaciones eléctricas. Quizás estemos más acostumbrados a verlos en los vehículos, donde tenemos decenas de ellos, que en nuestra vivienda, donde suelen ser más utilizados interruptores magneto-térmicos.
Principalmente, el fusible tiene dos funciones:
- Protección frente a sobrecargas.
- Protección frente a cortocircuitos.
Habitualmente, las instalaciones solares tienen cuatro tramos bien diferenciados, aunque puede no estar presente alguno de ellos:
(1) Tramo de paneles a regulador.
(2) Tramo de regulador a baterías.
(3) Tramo de batería a inversor.
(4) Tramo de inversor a cargas, habitualmente en corriente alterna.
(1) Tramo de paneles a regulador
En el primer tramo, de paneles a regulador, la fuente, el panel solar, no puede clasificarse ni como fuente de tensión, ni como fuente de intensidad. Su curva de trabajo fue descrita en este hilo: viewtopic.php?f=14&t=55. Como se puede ver, la intensidad máxima que generará nuestro campo solar estará acotada por la Intensidad de Cortocircuito, Isc. Del mismo modo, la tensión máxima estará limitada por la Tensión en Abierto, Voc. Hay que destacar que la mayoría de las veces, cuando se coloca un fusible en dicho tramo, tiene la función de apertura o cierre de un string de campo solar. Sin embargo, hay que proceder con especial cuidado cuando tenemos varias cadenas de paneles, dado que en ese caso el fusible puede prevenir de fuertes corrientes inversas en una de las cadenas, hecho probable en el caso de que una de las cadenas quede sombreada, total, o parcialmente. ¿Cómo seleccionamos el fusible necesario por cadena? Muy sencillo, en la hoja de datos del panel aparece la intensidad máxima del fusible a seleccionar, típicamente 15 A. Aparte, la tensión nominal del fusible ha de ser superior a la tensión en abierto de los paneles. Así mismo, la corriente de retención, o también llamada de ruptura, del fusible ha de ser superior a la suma de las corrientes de cortocircuito del resto de cadenas a considerar.
Caso práctico 1
Instalación formada por 6 cadenas de 20 paneles en serie con una Vo de 45 V y una Isc de 9 A e Imax de fusible de 15 A.
La intensidad nominal del fusible ya nos la facilita el fabricante 15 A.
La tensión nominal del fusible ha de ser mayor que 20xVo= 900 Vdc
La intensidad de ruptura ha de ser mayor que 5x9 A = 45 A.
Podríamos seleccionar 6 fusibles como éstos para nuestra instalación. https://www.poweralia.com/fusible-cilin ... ric-491629
Nota: Es deseable que el poder de ruptura de dichos fusibles sea muy superior al que necesitamos de cara a la protección frente a perturbaciones atmosféricas, ya que de ese modo, podremos tener protección frente a dichas perturbaciones, asociando cada fusible con un dispositivo frente a sobre-tensiones.
Tramos (2) de regulador a baterías y (3) de baterías a inversor
Editado el 28/07/2021 por Homo_non_sapiens:
@jeopardize ha aportado un post muy instructivo acerca de fusible/magneto en los tramos de batería:
viewtopic.php?f=7&t=1232&start=22
Suele ser habitual la colocación de un fusible en uno de los polos de la batería. La batería es la fuente de tensión real por excelencia y puede tener intensidades de cortocircuito altas, del orden de los 1.000 a 25.000 A.
A la hora de seleccionar el fusible debemos tener en cuenta varias cosas:
- Intensidad de cortocircuito de las baterías.
- Potencia nominal del inversor, así como potencia pico y duración máxima de dichos picos.
- Tiempo de disparo de diseño. Fundamental para garantizar que las conducciones no sufrirán daños.
- Curva del fusible.
La intensidad de cortocircuito de las baterías suele aparecer en la hoja de datos de las mismas,pero no siempre aparece; en ese caso, podemos tomar como Isc= 10 X C10 Ah, es decir, diez veces la capacidad nominal de la batería en C10.
La potencia nominal y pico del inversor es facilitada por fabricante.
En cuanto al tiempo de disparo, pre-arco más extinción, suele ser típico tomar 0,1 s.
Mediante la curva del fusible, podremos estimar el tiempo de actuación del fusible, entrando con la intensidad estimada de cortocircuito.
Caso práctico 2
Inversor:
Potencia nominal 4600 W
Potencia máxima 30 min. 6000 W
Potencia máxima 3 s. 11000 W
Tensión mínima batería: 40 Vdc
Baterías:
Capacidad: 500 Ah
Intensidad de cortocircuito estimada: 5000 A
Tiempo de disparo: 0.1 s.
En primer lugar, el fusible a seleccionar tendrá una intensidad de ruptura superior a 5000 A.
Primero tomamos la potencia nominal del inversor y posteriormente comprobaremos que no se fundirá si tenemos una potencia de 6000 W durante 30 minutos o de 11000 W durante 3 s.
Para el caso de tener 4600 w, cuando la tensión de batería es de 40 V, la intensidad es de 115 A, por lo que tomaríamos un fusible de 125 A.
Con el dato de 5.000 A de corriente prevista, entramos en el siguiente ábaco y obtenemos que el tiempo de disparo es inferior a 0,01 s.
A continuación, estimamos el tiempo de disparo para una potencia del inversor de 6000 W. En ese caso, la corriente será de 150 A. Entramos con esa corriente en el mismo ábaco anterior y obtenemos que el tiempo de disparo es mayor que 10.000 s, muy superior a los 1800 s que el inversor es capaz de mantener esa potencia de 6.000 W.
Queda por comprobar que el fusible no "salta" por sobrecarga de 11.000 W en 3 s. En ese caso, la corriente será de 275 A. Volvemos a entrar en el mismo ábaco y obtenemos que el tiempo de disparo es de unos 70 s.
Como porta fusible seleccionamos un NH1 para que las pérdidas sean mínimas y ya tenemos seleccionado el fusible.
Caso práctico 3 con lo que no se debe hacer
Googleando un poco, vemos esta consulta que hace un usuario:
"Buenas, soy nuevo por aquí espero no extenderme mucho, llevo viviendo 8 meses con una placa de 80 w inversor de 300 de pico y un regulador de 5 amperios, y batería de coche de 90 amperios, y con esto solo me da para iluminación un poco de tele y cargar aparatos, me he comprado un inversor-cargador de 24v 2400w 100a(40pv-60ac) mppt pvmax 100dcv, dos baterías de gel 12v 200ah c10 y dos placas sharp 275w 60 células, pille cableado solar de placas a inversor de 6 mm y bueno poca cosa mas, es para una conexión aislada y lo que me gustaría saber es un poco lo que me falta por ejemplo fusible entre batería y inversor cuanto ah debería ser el de placa al inversor, y secciones de cables para batería inversor y entre baterías he visto que es 50 mm, un saludo y muchas gracias."
Y la respuesta del "experto" es:
"Entre inversor y batería un fusible de 200A (de CC) para poder aprovechar la potencia pico del inversor, y entre los paneles y el regulador uno de 10A."
Suponemos que la intensidad de cortocircuito de las baterías es de 2.000 A, diez veces la capacidad en C10 y suponemos un fusible de 200 A con capacidad de corte suficiente:
Y vemos que el tiempo de disparo ronda los 700-800 ms.
Seleccionando el fusible adecuado, 100 A, tenemos que el tiempo de respuesta es de unos 20 ms:
(4) Tramos de inversor a cargas en AC
Es cierto que en estos casos se suelen utilizar interruptores magneto-térmicos en lugar de fusibles.
Algo importante a tener en cuenta es que la intensidad de cortocircuito del inversor es muy inferior a la habitual de red, de unos 4.500 A.
Por tanto, habremos de tener en cuenta la intensidad de cortocircuito que es capaz de soportar el inversor y actuar en consecuencia.
Para el inversor tomado como ejemplo, dice la hoja de datos que la Isc es de 120 A durante 100 ms. Sea fusible, o magneto-térmico, tendremos que asegurarnos que el disparo se produce antes de 100 ms, cuando la intensidad es de 120 A.
Vemos que seleccionando el fusible de forma adecuada, el tiempo de respuesta es 35 veces inferior.
Imaginad que estamos manipulando el regulador, o en inversor, y que de forma accidental ponemos en contacto con una llave fija o un destornillador, el positivo y el negativo. Ahora consideramos que la energía asociada al cortocircuito es proporcional al factor I x I x t, donde I es la intensidad de cortocircuito y t el tiempo de respuesta de las protecciones. Entenderá el lector que con un fusible de 200 A tendremos una energía liberada 35 veces mayor que con un fusible de 100 A y claro, las proyecciones derivadas de la sublimación de la llave o el destornillador serán mucho más dañinas en el primer caso.
Esto es sólo un ejemplo, los daños derivados de un corto son muy variados e incluyen hasta incendios, por lo que debemos ser cuidadosos con la selección del fusible, máxime cuando la intensidad de cortocircuito no será la misma a lo largo de la vida de la batería o de su estado de carga, por lo que cuanto más margen tengamos, mejor.
Principalmente, el fusible tiene dos funciones:
- Protección frente a sobrecargas.
- Protección frente a cortocircuitos.
Habitualmente, las instalaciones solares tienen cuatro tramos bien diferenciados, aunque puede no estar presente alguno de ellos:
(1) Tramo de paneles a regulador.
(2) Tramo de regulador a baterías.
(3) Tramo de batería a inversor.
(4) Tramo de inversor a cargas, habitualmente en corriente alterna.
(1) Tramo de paneles a regulador
En el primer tramo, de paneles a regulador, la fuente, el panel solar, no puede clasificarse ni como fuente de tensión, ni como fuente de intensidad. Su curva de trabajo fue descrita en este hilo: viewtopic.php?f=14&t=55. Como se puede ver, la intensidad máxima que generará nuestro campo solar estará acotada por la Intensidad de Cortocircuito, Isc. Del mismo modo, la tensión máxima estará limitada por la Tensión en Abierto, Voc. Hay que destacar que la mayoría de las veces, cuando se coloca un fusible en dicho tramo, tiene la función de apertura o cierre de un string de campo solar. Sin embargo, hay que proceder con especial cuidado cuando tenemos varias cadenas de paneles, dado que en ese caso el fusible puede prevenir de fuertes corrientes inversas en una de las cadenas, hecho probable en el caso de que una de las cadenas quede sombreada, total, o parcialmente. ¿Cómo seleccionamos el fusible necesario por cadena? Muy sencillo, en la hoja de datos del panel aparece la intensidad máxima del fusible a seleccionar, típicamente 15 A. Aparte, la tensión nominal del fusible ha de ser superior a la tensión en abierto de los paneles. Así mismo, la corriente de retención, o también llamada de ruptura, del fusible ha de ser superior a la suma de las corrientes de cortocircuito del resto de cadenas a considerar.
Caso práctico 1
Instalación formada por 6 cadenas de 20 paneles en serie con una Vo de 45 V y una Isc de 9 A e Imax de fusible de 15 A.
La intensidad nominal del fusible ya nos la facilita el fabricante 15 A.
La tensión nominal del fusible ha de ser mayor que 20xVo= 900 Vdc
La intensidad de ruptura ha de ser mayor que 5x9 A = 45 A.
Podríamos seleccionar 6 fusibles como éstos para nuestra instalación. https://www.poweralia.com/fusible-cilin ... ric-491629
Nota: Es deseable que el poder de ruptura de dichos fusibles sea muy superior al que necesitamos de cara a la protección frente a perturbaciones atmosféricas, ya que de ese modo, podremos tener protección frente a dichas perturbaciones, asociando cada fusible con un dispositivo frente a sobre-tensiones.
Tramos (2) de regulador a baterías y (3) de baterías a inversor
Editado el 28/07/2021 por Homo_non_sapiens:
@jeopardize ha aportado un post muy instructivo acerca de fusible/magneto en los tramos de batería:
viewtopic.php?f=7&t=1232&start=22
Suele ser habitual la colocación de un fusible en uno de los polos de la batería. La batería es la fuente de tensión real por excelencia y puede tener intensidades de cortocircuito altas, del orden de los 1.000 a 25.000 A.
A la hora de seleccionar el fusible debemos tener en cuenta varias cosas:
- Intensidad de cortocircuito de las baterías.
- Potencia nominal del inversor, así como potencia pico y duración máxima de dichos picos.
- Tiempo de disparo de diseño. Fundamental para garantizar que las conducciones no sufrirán daños.
- Curva del fusible.
La intensidad de cortocircuito de las baterías suele aparecer en la hoja de datos de las mismas,pero no siempre aparece; en ese caso, podemos tomar como Isc= 10 X C10 Ah, es decir, diez veces la capacidad nominal de la batería en C10.
La potencia nominal y pico del inversor es facilitada por fabricante.
En cuanto al tiempo de disparo, pre-arco más extinción, suele ser típico tomar 0,1 s.
Mediante la curva del fusible, podremos estimar el tiempo de actuación del fusible, entrando con la intensidad estimada de cortocircuito.
Caso práctico 2
Inversor:
Potencia nominal 4600 W
Potencia máxima 30 min. 6000 W
Potencia máxima 3 s. 11000 W
Tensión mínima batería: 40 Vdc
Baterías:
Capacidad: 500 Ah
Intensidad de cortocircuito estimada: 5000 A
Tiempo de disparo: 0.1 s.
En primer lugar, el fusible a seleccionar tendrá una intensidad de ruptura superior a 5000 A.
Primero tomamos la potencia nominal del inversor y posteriormente comprobaremos que no se fundirá si tenemos una potencia de 6000 W durante 30 minutos o de 11000 W durante 3 s.
Para el caso de tener 4600 w, cuando la tensión de batería es de 40 V, la intensidad es de 115 A, por lo que tomaríamos un fusible de 125 A.
Con el dato de 5.000 A de corriente prevista, entramos en el siguiente ábaco y obtenemos que el tiempo de disparo es inferior a 0,01 s.
A continuación, estimamos el tiempo de disparo para una potencia del inversor de 6000 W. En ese caso, la corriente será de 150 A. Entramos con esa corriente en el mismo ábaco anterior y obtenemos que el tiempo de disparo es mayor que 10.000 s, muy superior a los 1800 s que el inversor es capaz de mantener esa potencia de 6.000 W.
Queda por comprobar que el fusible no "salta" por sobrecarga de 11.000 W en 3 s. En ese caso, la corriente será de 275 A. Volvemos a entrar en el mismo ábaco y obtenemos que el tiempo de disparo es de unos 70 s.
Como porta fusible seleccionamos un NH1 para que las pérdidas sean mínimas y ya tenemos seleccionado el fusible.
Caso práctico 3 con lo que no se debe hacer
Googleando un poco, vemos esta consulta que hace un usuario:
"Buenas, soy nuevo por aquí espero no extenderme mucho, llevo viviendo 8 meses con una placa de 80 w inversor de 300 de pico y un regulador de 5 amperios, y batería de coche de 90 amperios, y con esto solo me da para iluminación un poco de tele y cargar aparatos, me he comprado un inversor-cargador de 24v 2400w 100a(40pv-60ac) mppt pvmax 100dcv, dos baterías de gel 12v 200ah c10 y dos placas sharp 275w 60 células, pille cableado solar de placas a inversor de 6 mm y bueno poca cosa mas, es para una conexión aislada y lo que me gustaría saber es un poco lo que me falta por ejemplo fusible entre batería y inversor cuanto ah debería ser el de placa al inversor, y secciones de cables para batería inversor y entre baterías he visto que es 50 mm, un saludo y muchas gracias."
Y la respuesta del "experto" es:
"Entre inversor y batería un fusible de 200A (de CC) para poder aprovechar la potencia pico del inversor, y entre los paneles y el regulador uno de 10A."
Suponemos que la intensidad de cortocircuito de las baterías es de 2.000 A, diez veces la capacidad en C10 y suponemos un fusible de 200 A con capacidad de corte suficiente:
Y vemos que el tiempo de disparo ronda los 700-800 ms.
Seleccionando el fusible adecuado, 100 A, tenemos que el tiempo de respuesta es de unos 20 ms:
(4) Tramos de inversor a cargas en AC
Es cierto que en estos casos se suelen utilizar interruptores magneto-térmicos en lugar de fusibles.
Algo importante a tener en cuenta es que la intensidad de cortocircuito del inversor es muy inferior a la habitual de red, de unos 4.500 A.
Por tanto, habremos de tener en cuenta la intensidad de cortocircuito que es capaz de soportar el inversor y actuar en consecuencia.
Para el inversor tomado como ejemplo, dice la hoja de datos que la Isc es de 120 A durante 100 ms. Sea fusible, o magneto-térmico, tendremos que asegurarnos que el disparo se produce antes de 100 ms, cuando la intensidad es de 120 A.
Vemos que seleccionando el fusible de forma adecuada, el tiempo de respuesta es 35 veces inferior.
Imaginad que estamos manipulando el regulador, o en inversor, y que de forma accidental ponemos en contacto con una llave fija o un destornillador, el positivo y el negativo. Ahora consideramos que la energía asociada al cortocircuito es proporcional al factor I x I x t, donde I es la intensidad de cortocircuito y t el tiempo de respuesta de las protecciones. Entenderá el lector que con un fusible de 200 A tendremos una energía liberada 35 veces mayor que con un fusible de 100 A y claro, las proyecciones derivadas de la sublimación de la llave o el destornillador serán mucho más dañinas en el primer caso.
Esto es sólo un ejemplo, los daños derivados de un corto son muy variados e incluyen hasta incendios, por lo que debemos ser cuidadosos con la selección del fusible, máxime cuando la intensidad de cortocircuito no será la misma a lo largo de la vida de la batería o de su estado de carga, por lo que cuanto más margen tengamos, mejor.