Diseño práctico de un SIPRA

por | Mar 9, 2022 | pararrayos | 0 Comentarios

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El trabajo de grado para optar al título de ingeniero electricista, se centró en la documentación técnica del Sistema de protección Integral contra rayos o SIPRA para un sistema fotovoltaico de 7KVA.

Objetivo General:

Diseñar un sistema de protección contra rayos para el sistema fotovoltaico.

Objetivos específicos:

  1. De acuerdo a la norma NTC 4552, determinar el nivel de riesgo de rayos en la región de Urrao a partir de mapas de Vaisala.
  2. Establecer los requerimientos de las sobretensiones soportables para el sistema fotovoltaico.
  3. Realizar el diseño de las protecciones contra rayos del sistema fotovoltaico y las redes internas de la finca
  4. Realizar las simulaciones para evaluar las posibles sobretensiones a las cuales se ve sometido el sistema ante una descarga de rayo.

Presentación del proyecto:

La finca el Yarumo se encuentra ubicada bajo las coordenadas geográficas 6°19’34.0″N 76°02’43.6″W (6.3261111 -76.0454444) en el municipio de Urrao en Antioquia Colombia, La zona cuenta con una radiación solar y un DDT (Densidad de Descargas a Tierra) de 32 rayos por kilómetro cuadrado. Según la información suministrada por la NTC 4552-1, se toma el DDT de la ciudad más cercana, la cual es Medellín y cuenta con un promedio de 1 descarga atmosférica por kilómetro cuadrado basado en la tabla A.6 de la NTC 4552-1, además es una información que data de 1999, para el año 2020, según los mapas de Vaisala, Medellín tiene un DDT entre 16 y 32. En consecuencia solo se usó el DDT proporcionado por Vaisala.

Análisis del riesgo:

Para el análisis del Riesgo se deben hacer la evaluación en las condiciones actuales y repetir la evaluación teniendo en cuenta las medidas de mitigación del riesgo. Para este cálculo se requiere el DDT suministrado por los mapas de Vaisala, el área colectora del edificio que es de 1146 metros cuadradios , el área colectora de la acometida que es de 1406 metros cuadrados.

Estado actual

  • Factor de localización = Estructura aislada: Ningún objeto alrededor.
  • Medidas de protección adicionales frente a tensiones de paso y de contacto = Sin medidas protección.
  • Factor de reducción de afectación a personas relacionado con el tipo de suelo o terreno = Agricultura, concreto (< 1 kΩ)
  • Factor de reducción de pérdidas debido a los daños físicos por medidas que se adopten ante las afectaciones por fuego = Ninguna protección contra el fuego
  • Factor de reducción de pérdidas debido a los daños físicos dependiendo el riesgo de incendio evidente= Riesgo ordinario de incendio.
  • Factor de instalación de las líneas de acometida = Aéreo.
  • Factor ambiental respecto a las líneas de acometida = Rural.
  • Factor del tipo de las líneas de acometida = Línea de baja tensión, de telecomunicaciones o datos

Medidas de mitigación seleccionadas:

  • Medidas de protección adicionales frente a tensiones de paso y de contacto = Aislamiento eléctrico (e.g al menos 3 mm de polietileno reticulado) de partes expuestas (bajantes)
  • Nivel del sistema de protección contra rayos = Estructura con protección SPE clase I
  • Valor del sistema coordinado de DPS de acuerdo con NTC 4552 y el nivel de protección contra rayos para el cual estos DPS están designados = DPS clase II
  • Tipo de cableado interno= Cable blindado y cable en tubería metálica
  • Factor de las medidas de protección ante tensiones de paso o de contacto (restricciones físicas, avisos de precaución) = Aislamiento eléctrico (15 cm de grava)
Resumen de análisis del riesgo en la finca el Yarumo

Sobretensiones soportables por el sistema fotovoltaico y equipos electrónicos.

Basado en la NTC 4552-1 se tiene que el nivel de tensión soportable es de 4kV para el inversor y módulos fotovoltaicos, y 800 V para equipos electrónicos ubicados en la finca el Yarumo.

Diseño del SIPRA:

Siguiendo la recomendación obtenida del análisis de riesgo, se procede a diseñar el sistema de protección interno, externo y puesta a tierra.

SPI (Sistema de protección interno):

Para este se va a usar un DPS clase I+II en DC para la caja combina dora de los módulos fotovoltaicos, en la parte AC donde se conectan los tres inversores se va a usar un DPS clase II y finalmente en el barraje de la acometida se utilizó un DPS clase I+II. Estos DPS se seleccionaron basado en los requerimientos del RETIE y la IEC-TR-632227 (lightning-and-surge-voltage-protection-for-photovoltaic), IEC-61643 (Low voltage surge) cuyas especificaciones técnicas están en el documento de diseño.

SPE

Para el sistema de protección externo se usó el método electro-geométrico de la esfera rodante, se utilizó con una esfera de 35m.

SPT(Sistema de puesta a tierra)

para hacer un adecuado dimensionamiento del SPT, en primer lugar, se hizo la medición de resistividad del terreno mediante el método Wenner con el telurometro UT 572, la resistividad calculada es de 126.63 Ωm, para este se usó una configuración tipo B con 4 electrodos verticales y un electrodo horizontal que conecta los cuatro electrodos verticales y la puesta a tierra de la acometida, la resistencia máxima es de 2.96 Ω, cumpliendo lo que exige el RETIE.

Simulaciones:

Con el fin de verificar los diseños del SIPRA y ver las diferentes sobretensiones a las que se ve sometido el sistema ante una descarga de rayos, se usaron 3 herramientas:

  1. ATP DRAW se utilizó para simular los efectos de los descargadores de sobretensión en las la acometida y el sistema fotovoltaico. También, se usó para determinar las corrientes parciales de rayo en el SPE y para evaluar la energía disipada por el cuerpo humano por tensiones de paso y de contacto.
  2. COMSOL se usó para simular las sobretensiones sobre el sistema de puesta a tierra o SPT
  3. MATLAB, se utilizó para evaluar matemáticamente las tenciones inducidas por acoples magnéticos entre las corrientes parciales de rayo del sistema de protección externo o SPE, y los conductores de los módulos fotovoltaicos.
Simulación de sistema de puesta a tierra del pararrayos usando COMSOL.

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