Tipos de cables solares: cables fotovoltaicos, USE-2 y cables de CA explicados

La distinción definitoria entre los tipos de cables solares es si están diseñados para enterrarse directamente en el conjunto fotovoltaico de CC o para la interconexión de CA entre el inversor y la red pública. El cable fotovoltaico (UL 4703) es el único tipo de cable clasificado para enterramiento directo y exposición continua a la luz solar en el conjunto de CC, con una clasificación húmeda de 90 °C y una clasificación seca de 150 °C, lo que lo hace obligatorio para sistemas inversores sin transformador sin conexión a tierra que funcionen a 1000 o 1500 voltios CC. El cable USO-2, aunque todavía está listado para enterramiento directo, carece de la clasificación total de resistencia a la luz solar y del margen de temperatura más alto que exigen los conjuntos modernos de alto voltaje.

Las cuatro categorías principales de cables solares

Un sistema fotovoltaico contiene zonas eléctricas distintas, cada una gobernada por un tipo de cable específico y un conjunto correspondiente de requisitos de instalación según el artículo 690 del Código Eléctrico Nacional (NEC). Los cuatro tipos de cable que aparecen en un sistema diseñado adecuadamente desde el conjunto hasta el punto de interconexión son los siguientes.

El cable fotovoltaico, listado según UL 4703 y el estándar sujeto UL 4703, es un cable de un solo conductor con aislamiento de polietileno reticulado (XLPE) y una chaqueta exterior resistente a la luz solar. Está clasificado para 600 V, 1000 V o 2000 V dependiendo del espesor del aislamiento, con la variante de 2000 V especificada para arreglos a escala de servicios públicos de 1500 VCC. El aislamiento XLPE proporciona estabilidad termoestable, lo que significa que el cable mantiene su rigidez dieléctrica y sus propiedades mecánicas incluso después de una exposición prolongada a la temperatura máxima de funcionamiento del conductor de 90 °C húmedo y 150 °C seco. El conductor de cobre estañado, trenzado según ASTM B174 Clase B o C, resiste los efectos corrosivos de la humedad que impregna el aislamiento durante décadas de servicio. El cable fotovoltaico es el único cable en la industria solar que lleva una Clasificación de llama VW-1 y clasificación de entierro directo simultáneamente, satisfaciendo tanto el requisito de seguridad contra incendios en instalaciones en tejados como el requisito de enrutamiento subterráneo en sistemas de recolección de CC montados en el suelo.

El cable USE-2, construido según UL 854 y reconocido por el artículo 338 de NEC, es un cable de un solo conductor clasificado para entrada de servicio subterráneo. se utiliza Aislamiento XLPE idéntico en química al cable fotovoltaico, pero aplica una cubierta más gruesa y robusta diseñada para resistir la abrasión mecánica de pasar a través de conductos subterráneos y el contacto directo con la tierra. Su voltaje nominal está limitado a 600 V y su temperatura máxima del conductor es 90°C húmedo y 90°C seco , una limitación crítica en comparación con el cable fotovoltaico. La ausencia de una clasificación seca de 150 °C significa que USE-2 no se puede utilizar al aire libre dentro de un conjunto de techo donde las temperaturas de la hoja posterior del módulo alcanzan habitualmente entre 75 °C y 85 °C y el aumento de temperatura del conductor bajo carga completa empuja el aislamiento al territorio de sobrecarga térmica.

El cable TC-ER, con clasificación de cable de bandeja expuesta, sirve como troncal de recolección de CC entre la caja combinadora y la entrada del inversor, o entre varios inversores de cadena en una configuración en cadena. TC-ER es un conjunto de múltiples conductores, típicamente tres conductores más tierra, con un aislamiento interior de PVC y una cubierta exterior de nailon o PVC. Está clasificado para 600 V y 90°C seco , y su listado permite el tendido en bandeja portacables sin conducto para el tramo expuesto. La construcción de múltiples conductores simplifica el cableado en comparación con tirar de cables individuales de un solo conductor, pero la cubierta de PVC se degrada bajo la radiación ultravioleta, por lo que el TC-ER debe encerrarse cuando se instala al aire libre bajo la luz solar directa.

El cable de construcción THHN/THWN-2, aunque no es un cable solar dedicado, aparece en el lado de CA de la salida del inversor hasta el panel de servicio principal o el punto de interconexión de servicios públicos. Clasificado 600 V y 90°C seco, 75°C wet , con una cubierta de nailon sobre aislamiento de PVC, es rentable, está ampliamente disponible y cumple con los códigos para todo el cableado de CA interior aguas abajo del inversor. Su resistencia a la luz solar es cero y no está listado para enterramiento directo, por lo que su uso se limita estrictamente a canalizaciones interiores, conductos y paneles combinadores de CA cerrados.

Tabla de especificaciones comparativas para tipos de cables solares

Selección de clase de tensión y transición de 1.500 V

El cambio de arquitecturas de sistemas de 1000 VCC a 1500 VCC en plantas fotovoltaicas a escala de servicios públicos reduce la corriente de recolección de CC en aproximadamente un tercio para el mismo rendimiento de energía, reduciendo la cantidad de cajas combinadoras, alimentadores de CC y zanjas asociadas en una proporción similar. Sin embargo, el voltaje más alto impone requisitos de aislamiento más estrictos. Un conjunto de 1500 VCC requiere cables fotovoltaicos clasificados para 2000 VCC , no 1000 VCC. El espesor del aislamiento en un cable fotovoltaico de 2000 V es de aproximadamente 2,4 mm para conductores de 10 AWG, en comparación con 1,14 mm para la variante de 1000 V . Este mayor espesor de pared reduce la flexibilidad del cable y aumenta el radio de curvatura mínimo, un factor que complica la gestión de cables dentro de las cajas de conexiones de los módulos y los gabinetes de CC del inversor.

La norma IEC 62930, que se aplica globalmente fuera de América del Norte, armoniza los requisitos de rendimiento para cables fotovoltaicos de 1500 V. Especifica una resistencia de aislamiento mínima de 10 MΩ·km a 20°C , una cifra verificada durante las pruebas de producción en fábrica en cada carrete antes del envío. Las pruebas de campo del cable fotovoltaico de 1500 V instalado con un megaóhmetro de 5000 V deben arrojar valores de resistencia de aislamiento no inferiores a 4 MΩ por cuerda antes de conectar la cadena al inversor, una puerta de puesta en servicio que identifica daños de instalación en la cubierta o sellos del conector MC4 mal engarzados.

Reducción de temperatura y corrección de ampacidad

Las tablas de ampacidad del artículo 310.15 del NEC suponen una temperatura ambiente de 30 °C y no más de tres conductores portadores de corriente en una canalización. Un sistema de captación solar de CC viola habitualmente ambos supuestos. En un tejado de Phoenix, Arizona, donde la temperatura del aire ambiente a 12 pulgadas por encima de la superficie del tejado alcanza los 65 °C en una tarde de verano, el factor de corrección de temperatura para un cable fotovoltaico con clasificación de 90 °C es 0.58 según la tabla NEC 310.15(B)(1)(1). Por lo tanto, un cable fotovoltaico de 10 AWG con una ampacidad de 40 amperios a 30 °C se reduce a 23,2 amperios a 65°C. Si ese mismo cable se agrupa con otras tres cadenas portadoras de corriente en un conducto a lo largo de una distancia superior a 24 pulgadas, se aplicará un factor de ajuste adicional de 0.80 aplica, lo que reduce aún más la ampacidad permitida a 18,6 amperios.

El resultado es que un conductor de 10 AWG, que a primera vista parece generosamente sobredimensionado para una corriente de cadena de 9 amperios, está funcionando a casi el 50% de su capacidad reducida después de las correcciones de temperatura y agrupación . Las prácticas de ingeniería para sistemas de tejados especifican 10 AWG como tamaño mínimo de cable fotovoltaico para las interconexiones de módulos, y se requieren 8 AWG para conductores domésticos que atiendan a más de dos cadenas, una regla general derivada de los datos de temperatura del tejado en el peor de los casos en lugar de un estándar fijo.

La química del aislamiento y la ventaja del XLPE

El material aislante diferencia un cable solar de un cable de construcción de uso general más que cualquier otro atributo. XLPE, el polietileno reticulado utilizado en cables fotovoltaicos y USE-2, es un material termoestable, lo que significa que las cadenas de polímero se entrecruzan químicamente durante el proceso de curado. Una vez reticulado, el material no puede fundirse ni fluir cuando se calienta. Un cable fotovoltaico expuesto a una temperatura del conductor de 150 °C mantiene su forma física y rigidez dieléctrica, mientras que un cable THHN aislado con PVC a la misma temperatura se ablandaría, fluiría y crearía un cortocircuito interno.

El proceso de reticulación, logrado mediante un curado por humedad a base de silano o irradiación con haz de electrones, también mejora la resistencia del aislamiento al flujo en frío bajo compresión. Cuando un cable fotovoltaico queda atrapado entre el marco del módulo y el riel de montaje, el aislamiento XLPE resiste la compresión que adelgazaría la pared de aislamiento de PVC con el tiempo. El espesor de la pared retenida después 1000 horas de carga de compresión a 90 °C suelen ser del 85 % al 90 % del espesor original del XLPE, en comparación con el 60 % o menos del PVC. . Esta propiedad es esencial en un conjunto fotovoltaico donde las abrazaderas de módulo y los clips de cable aplican puntos de presión localizados que persisten durante la vida útil de diseño de 25 años del sistema.

Compatibilidad del conector y el estándar MC4

El cable solar en sí es sólo el conductor; la terminación del conector es el punto de falla a nivel del sistema. El estándar de la industria es el conector MC4, desarrollado originalmente por Multi-Contact y ahora fabricado bajo licencia por más de una docena de proveedores globales. El MC4 está clasificado para Corriente continua de 1500 VCC y 30 amperios con cable fotovoltaico de 4 mm² o 6 mm² (12 AWG a 10 AWG) y mantiene una clasificación de protección de ingreso de IP68 cuando está acoplado, lo que significa que resiste la inmersión continua en 1 metro de agua.

La regla crítica para la confiabilidad es la homogeneidad del conector: los conectores macho y hembra de una sola cadena deben ser del mismo fabricante. El acoplamiento de un conector Amfenol H4 con un Staubli MC4 genuino, a pesar de su compatibilidad física y certificación UL, introduce un riesgo de corrosión galvánica en la interfaz de contacto porque los metales base y los espesores de revestimiento difieren. La resistencia de contacto resultante, medida con un miliohmímetro de cuatro hilos, puede comenzar en un nivel aceptable. 0,5 miliohmios pero puede llegar a 5 miliohmios o más en tres años del ciclo térmico, momento en el cual el calentamiento I²R en el conector excede la temperatura del cable circundante y acelera la oxidación. Las fallas de campo atribuidas a conectores no coincidentes son el reclamo de seguro más común en sistemas de tejados residenciales.

Requisitos del conductor de conexión a tierra y de equipos

El conductor de puesta a tierra del equipo (EGC) en un panel solar sirve como ruta de retorno de la corriente de falla y debe dimensionarse para transportar toda la corriente de cortocircuito del panel sin exceder su temperatura nominal. La Tabla 250.122 de NEC rige el tamaño de EGC según la clasificación del dispositivo de protección contra sobrecorriente, pero para los inversores sin transformador donde la detección de falla a tierra de CC está integrada, las mejores prácticas de ingeniería recomiendan un EGC no más pequeño que el conductor de circuito de CC más grande, incluso cuando el código permite un tamaño más pequeño. Un cable fotovoltaico de 10 AWG utilizado como conductor positivo de CC sin conexión a tierra debe ir acompañado de un mínimo 10 AWG EGC , tamaño según 690,45 del NEC.

Para el lado de CA, el EGC entre el inversor y el panel de servicio principal suele ser un conductor THHN/THWN-2 con aislamiento verde, dimensionado según la Tabla 250.122 según la clasificación de protección contra sobrecorriente de salida de CA del inversor. Un disyuntor de salida del inversor de 40 amperios requiere un mínimo 10 AWG cobre EGC . El EGC no es un conductor portador de corriente en funcionamiento normal, pero debe ser capaz de conducir toda la corriente de falla a tierra durante el tiempo requerido para que el dispositivo de sobrecorriente solucione la falla, una duración típicamente inferior a 0,1 segundos para los disyuntores limitadores de corriente modernos.

Gestión de cables y protección contra la exposición a los rayos UV.

Incluso los cables fotovoltaicos resistentes a la luz solar requieren protección física contra bordes afilados, daños causados por la vida silvestre y degradación UV concentrada en los puntos de tensión. Los cables en un conjunto montado en el suelo se pasan a través de una bandeja para cables metálica o de polietileno de alta densidad (HDPE), asegurada con bridas para cables de acero inoxidable a intervalos que no excedan 1,5 metros . Las bridas no deben comprimir demasiado el aislamiento; una tensión de unión que exceda las especificaciones del fabricante puede hacer fluir en frío el aislamiento XLPE y reducir el espesor de la pared en el punto de unión en un 50% dentro de un solo ciclo térmico.

En instalaciones en tejados, el cable fotovoltaico debe sujetarse fuera de la superficie del tejado mediante clips para cables o canales de gestión de cables integrados en el marco del módulo. El contacto directo entre la cubierta del cable y las tejas asfálticas transfiere calor desde la superficie del techo al cable, elevando la temperatura del conductor en un estimado 5°C a 10°C por encima de la temperatura del aire ambiente , un margen que puede elevar la temperatura del conductor más allá de su clasificación húmeda de 90 °C cuando se combina con una corriente de carga completa y una alta radiación de la lámina posterior del módulo. El cable también debe tenderse para evitar agua estancada en los puntos bajos del techo, donde los ciclos de congelación y descongelación tensionan la cubierta a través de la expansión y contracción repetidas de las formaciones de hielo.