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Introducción
La generación de electricidad, a partir de fuentes renovables de energía (FRE) puede ser llevada tanto a pequeña escala en hogares o edificios particulares, o a una escala mayor en una empresa o en la propia red eléctrica. En los momentos actuales, en Cuba, se ha dado prioridad a la integración de energía distribuida proveniente de fuentes renovables en pequeña o mediana escala a sus redes eléctricas existentes; sin embargo, la presencia de estos sistemas de generación, del lado del cliente, aún no tienen la presencia que debería tener como una de las formas de eliminar el uso de los combustibles fósiles para el consumo de electricidad, entre los cuales debe ser considerada la presencia de sistemas solares fotovoltaicos (SSFV) a nivel residencial.
Cuba se ubica en una zona de muy alta actividad de descargas eléctricas atmosféricas (DEA), por lo que la presencia de un SSFV, a cualquier nivel, debe tener en consideración las situaciones de riesgo que, para los equipos que la conforman y para la propia instalación, ellas representan, así como requiere de una tierra efectiva como referencia para la operación correcta del inversor que la compone, a lo que hay que agregar su alta sensibilidad ante las variaciones de tensión que se presenten, tanto en la operación normal de la red como ante sobretensiones que lleguen a través de ella [1, 2, 3]. En el caso de las viviendas cubanas, normalmente, estas no poseen sistemas de puesta a tierra en las mismas, por lo que, ante la posible solicitud o compra, e instalación, de un SSFV en la misma, el tema debe ser analizado cuidadosamente.
En la actualidad, la Unión Eléctrica (UNE) ha exigido que la puesta a tierra de la instalación fotovoltaica sea de 5 ohm o menor; estudios realizados hace varios años en el CIPEL demostraron la necesidad de que la puesta a tierra de una vivienda conectada a la red eléctrica de distribución de la UNE debe ser del mismo orden, o mayor, del valor de la puesta a tierra del centro de transformación (transformador) que la alimenta, para evitar que las sobretensiones que se originen por alguna causa desde la red de alimentación, ya sea por impacto directo o por inducción (en alguna de las fases del sistema de distribución primario o en el neutro),de una DEA, pueda ser peligrosa para las personas y equipos en la vivienda.Así mismo, la presencia de un sistema de generación de electricidad en una vivienda requiere de una puesta a tierra de protección para las personas y equipos existentes en la casa, ante la posibilidad de que se generen tensiones superiores a lo establecido como tensión de contacto en el Reglamento Electrotécnico Cubano, en su versión actualizada del 2018 [4, 5], (NC 800. Reglamento Electrotécnico Cubano para Instalaciones Eléctricas en Edificaciones, s.p. Norma Cubana Obligatoria. La Habana, Cuba:s.n., 2017).
Teniendo en cuenta lo anteriormente expresado, es válido preguntarse: ¿es realmente necesario el requerimiento de que el nivel de la puesta a tierra, de un SSFV en una vivienda, sea del orden de los 5 ohm? ¿Cómo puede afectar este criterio al valor equivalente de aterramiento que se vería desde el sistema al incluirse una puesta a tierra en la entrada de la acometida de la vivienda, en el metro contador? ¿Cómo determinar qué niveles de aterramiento requeriría la instalación de un SSFV a instalarse en una vivienda, teniendo en consideración la necesidad de instalar, además, una puesta a tierra en el metro contador a la entrada de la acometida?
Materiales y métodos
El problema de la conexión a tierra en las instalaciones residenciales en Cuba
Como se conoce, los esquemas de puesta a tierra en BT determinan la forma de conectar a tierra el secundario del transformador de MT/BT y las diversas maneras de poner a tierra las masas de la instalación conectada a él, con el objetivo de eliminar la posibilidad de aparición de una tensión de contacto, que por su magnitud y duración pueda causar daños a personas y equipos [6, 7, 8, 9, 10]. Según Lacroix B. Calvas R. (2000). Cuaderno Técnico nº 172. Los esquemas de conexión a tierra en BT (regímenes de neutro), la identificación de los tipos de esquema se expresa con dos letras:
La primera letra identifica la conexión del neutro del transformador, y presenta dos casos posibles: T para conectado a tierra, e Ipara aislado de tierra.
La segunda letra identifica el tipo de conexión de las masas de los receptores, y también presenta dos casos posibles: T para masa conectada directamente a tierra, y N para masa conectada al neutro en el origen de la instalación; instalación que ha de estar conectada a tierra (figura 1).
Fuente: Lacroix B. Calvas R. (2000). Cuaderno Técnico nº 172. Los esquemas de conexión a tierra en BT (regímenes de neutro)Fig. 1 Modos de conexión del neutro de un transformador a tierra; y modo de conexión de masas de los receptores eléctricos.
La combinación de estas dos letras da tres configuraciones posibles: TT: neutro del transformador T y masa T; TN: neutro del transformador T y masa N; IT: neutro del transformador I y masa T, tal y como se muestra en la figura 2.
Fuente: NC 800. Reglamento Electrotécnico Cubano para Instalaciones Eléctricas en EdificacionesFig. 2 Variantes de esquemas de conexión del neutro a tierra en una instalación.
Sin embargo, es de notar que el esquema TN, según el Reglamento Electrotécnico Cubano para Instalaciones Eléctricas en Edificaciones, puede llevar a varios subesquemas:
TN-C: si los conductores del neutro N y el conductor de protección CP coinciden (CPN).
TN-S: si los conductores del neutro N y el conductor de protección CP están separados.
TN-C-S: utilización de un-TN-S, aguas abajo de TN-C, ya que,al revés, está prohibido.
En la figura 3, pueden ser observados estos esquemas.
Fuente: NC 800. Reglamento Electrotécnico Cubano para Instalaciones Eléctricas en EdificacionesFig. 3 Subesquemas de conexión del neutro a tierra bajo el concepto de un esquema TN-
En Cuba, el Código Electrotécnico Cubano establece, de modo general, como esquema de puesta a tierra el tipo TN para baja tensión (BT), con marcada preferencia hacia el TN-S. Sin embargo, al no existir aterramiento en la vivienda, cualquier análisis que se haga sobre un aterramiento en la misma, transformara la puesta a tierra en un esquema de tipo TN-C-S, pues requerirá conectar un conductor adicional que sería el conductor PE a la puesta a tierra.
Sistemas solares fotovoltaicos a instalar en una vivienda cubana
Los SSFV a instalarse en una vivienda pueden ser de dos tipos: aislados y conectados a la red.
Sistema fotovoltaico aislado: compuesto, de manera general, por estructuras soporte, módulos solares fotovoltaicos, cargador(es) e inversor(es) solar(es), banco de baterías, sistema de comunicación, protecciones eléctricas, cableado y sistema de puesta a tierra. Desde el punto de vista de su funcionamiento, se considera que es independiente de la red eléctrica.
Sistema fotovoltaico con conexión a red: son aquellos que se conectan a los sistemas eléctricos de potencia (SEP) en cualquiera de sus niveles de trabajo; por regla general son más económicos, al no necesitar sistemas de respaldo ya que esa función la realiza el propio sistema eléctrico, así como es el que menos equipamiento requiere, estando compuesto, fundamentalmente, por las estructuras de soporte, módulos solares fotovoltaicos, inversor(es) solar(es), cableado, protecciones eléctricas y el sistema de puesta a tierra. Cuando no suple ninguna carga, este sistema inyecta toda la energía generada al SEP. Por lo general, estos SSFV se desconectan, por protección, cuando la red convencional falla, no trabajando en modo isla; por tal razón, y a solicitud de clientes o requerimientos de servicio, existe una variante que utiliza un inversor híbrido que permite tener la conexión de un banco de baterías para que, al ocurrir este fenómeno, el SSFV siga trabajando al desconectarse, eléctricamente, la red. Este inversor híbrido desconecta el SSFV de la red, pero al tener un banco de baterías, funciona, en esos instantes, como un sistema FV aislado (ver figura 4).
Una muestra de las componentes de estos SSFV se presenta en la figura 5.
Fuente: Instalaciones de energía solar fotovoltaica. (s.f). América FotovoltaicaFig.4 Tipos de SSFV que pueden ser instalados en las viviendas.
Resultados y discusión
Planteamiento del problema para el análisis del esquema de puesta a tierra que debe tener una vivienda
a.
Caso 1. Inducción, en el neutro de la instalación, de la corriente asociada a una DEA
Caso 2. Inducción, en una de la fases de la instalación, de la corriente asociada a una DEA Para este caso, el circuito eléctrico a analizar es el mostrado en la figura 11a, el cual lleva a un esquema de simulación como el mosrrado en la figura 11b.
Caso 3. Inducción, en el neutro de la instalación, de corriente proveniente de una DEA, pero considerando que el neutro se abre (desconecta)
Caso 4. Inducción, en la fase de la instalación, de corriente proveniente de una DEA, pero considerando que se abre (desconecta) la conexión equipotencial
El circuito eléctrico a analizar, en esta variante, es el mostrado en la figura 14a, el cual lleva a un esquema de simulación como el mostrado en la figura 14b, mientras que en la figura 15a, se muestra el valor que alcanza la sobretensión en la carga y en la figura 15b, la corriente por la misma; ambos valores son mayores a los vistos en los casos anteriores, independientemente de los valores que tomen las puestas a tierra en el SSFV y en la vivienda, por lo que es el peor caso. Es bueno aclarar que en todos los casos la sobretensión aplicada en los terminales del SSFV y la carga sería la misma para cualquiera de los casos analizados al estar en paralelo ambos esquemas.
Fuente: elaboración propiaFig. 14 Circuito eléctrico y esquema en Simulink para el análisis de circulación de una onda de DEA inducida en una de las fases que alimenta una vivienda, pero con el conductor equipotencial desconectado.
Fuente: elaboración propiaFig. 15 Sobretensión (500 kV) y correinte (100 kA) obtenidas en la carga al inducirse una corriente por una de las fases de alimentación de la vivienda y romperse (desconectarse) el conductor equipotencial, considerando el valor de la puesta a tierra de la vivienda igual o inferior al del centro de transformación.
Conclusiones
De los resultados obtenidos, es factible concluir que la puesta a tierra del consumidor debe tener un valor mayor a la del centro de transformación, para mantener valores de sobretensión en la carga lo más bajos posibles. Dado que la práctica internacional indica que la puesta a tierra del SSFV debe ser del orden de los 5ohm o menor, es mucho más importante, entonces, lograr que la tierra de la vivienda sea mayor que la del centro de transformación, para evitar que la resistencia equivalente de la vivienda no permita que los niveles de sobretensión, ante una corriente por DES inducida alcance valores más elevados.
La desconexión del neutro o del conductor equipotencial, ante la necesidad de tener una puesta a tierra en la vivienda, como requerimientos del SSFV, es algo que implicaría niveles de sobretensión y/o corriente, respectivamente, muy elevados, dañinos para el equipamiento existente en la vivienda y para las personas que la habitan, por lo que se requiere, obligatoriamente, una protección diferencial en el esquema que asegure que no se presente un potencial de toque mayor al normado en esos instantes. Independientemente de lo anterior, en todos los casos se sugiere el uso de dispositivos de protección contra DEA en cualquiera de sus variantes, con el objetivo de tener una protección mas adecuada a las condiciones existentes en Cuba [Betterman O. (2020). Sistemas de protección contra rayo y sobretensiones. Editores SRL. IngenieríaEléctrica 352, IEC 61643-11 (2011), UNE-EN 61643-31. (2021)].
