Distancia de fuga en una caja de conexiones: por qué 1500 V cambió el diseño

Respuesta rápida: La distancia de fuga es la trayectoria más corta a lo largo de la superficie de un aislante entre dos conductores. La distancia de aislamiento en el aire es la trayectoria más corta a través del aire. Fallan por razones diferentes, por lo que un plano que satisface una puede fallar la otra, y en un módulo de 1500 V la trayectoria superficial es la que causa problemas. Dentro de una caja de conexiones, el número no se toma de una hoja de datos: se lee a partir de la tensión de servicio, el grado de contaminación y el índice de seguimiento del material, y luego se duplica para el aislamiento reforzado. En el nivel de 1600 V, una caja con material del grupo I a grado de contaminación 2 necesita 8 mm para aislamiento básico y 16 mm para aislamiento reforzado. Pase al grupo III a grado de contaminación 3 y el mismo requisito pasa a ser 25 mm y 50 mm. Una caja del tamaño de la palma de la mano no puede encontrar 50 mm, por lo que el encapsulado y la elección del material son decisiones estructurales, no pasos de acabado.

Cada caja de conexiones se entrega con un informe de ensayo de tipo, y ese informe contiene una hoja de medición con dos columnas que parecen intercambiables. No lo son, y leerlas como una sola es la forma en que un diseño de 1000 V recibe una nueva etiqueta.

Dos números que protegen contra fallos diferentes

La distancia de aislamiento en el aire es el espacio de aire. Existe para detener un arco eléctrico: una sobretensión de rayo, un transitorio de conmutación o un fallo del sistema aplica una tensión alta y rápida a través del espacio, el aire se ioniza y un arco lo puentea. Por lo tanto, la distancia de aislamiento en el aire depende de la tensión de aguante a impulso y de la altitud, ya que el aire más enrarecido se perfora antes. No depende de qué esté hecho el plástico.

La distancia de fuga es la ruta superficial. Existe para detener el seguimiento: el polvo, la sal y la humedad condensada forman una película conductora débil en la superficie, pequeñas descargas corren a lo largo de ella, el polímero se carboniza en una línea estrecha, y esa línea se convierte en una trayectoria conductora que no desaparece. El factor determinante aquí es la tensión de servicio a largo plazo y cuán sucia se vuelve la superficie, además de la resistencia del material al seguimiento.

La consecuencia práctica es una regla que es fácil de enunciar y fácil de olvidar: para el mismo par de conductores, la distancia de fuga nunca es menor que la distancia de aislamiento en el aire. La ruta superficial rodea todo lo que cruza el espacio de aire. Si su plano muestra una distancia de fuga inferior a la distancia de aislamiento en el aire, está midiendo una de ellas incorrectamente, muy a menudo tomando un atajo a través de una ranura que la norma dice que debe puentearse.

Tres variables, una tabla

IEC 62790 cubre las cajas de conexiones para módulos fotovoltaicos de hasta 1500 V CC diseñadas como clase II, es decir, con aislamiento doble o reforzado. Los números en sí provienen de la norma base de coordinación de aislamiento, IEC 60664-1, y se leen de una tabla usando tres entradas.

• Tensión de servicio. La tensión a largo plazo entre los dos conductores, tomada como el valor de CC. Una tensión más alta sostiene más fácilmente una descarga superficial, por lo que la distancia requerida crece. Pasar de un sistema de 1000 V a 1500 V es un salto a una nueva fila en esa tabla, no un pequeño incremento dentro de una fila.
• Grado de contaminación. El microambiente de la superficie. El grado 1 significa sin contaminación o solo contaminación seca y no conductora. El grado 2 significa contaminación normalmente no conductora con conductividad temporal ocasional por condensación. El grado 3 significa contaminación conductora, o contaminación seca que se vuelve conductora cuando se condensa. Una superficie exterior expuesta es grado 3; un interior bien sellado a menudo se evalúa como grado 2.
• Grupo de material. El índice comparativo de seguimiento, la tensión que una superficie soporta bajo gotas repetidas de electrolito antes de que se forme una trayectoria de seguimiento. El grupo I es 600 y superior, el grupo II es de 400 a 600, el grupo IIIa es de 175 a 400, el grupo IIIb es de 100 a 175. Un índice más alto compra una distancia más corta.

Luego viene el tipo de aislamiento. Una parte activa a una superficie accesible es aislamiento reforzado, y su distancia de fuga requerida es generalmente el doble del valor básico. Junte las tres variables y el tipo de aislamiento y obtendrá la tabla a continuación, para el nivel de 1600 V en el que normalmente recae un sistema de 1500 V.

Valores según lo tabulado en el artículo fuente para el nivel de 1600 V de IEC 60664-1, con aislamiento reforzado al doble del valor básico y el grupo III leído como IIIa. Trátelos como la forma del requisito, no como un sustituto de la edición actual de la norma.

Lea primero la esquina inferior derecha. Una caja con bajo índice de seguimiento, con partes activas expuestas a un entorno de grado 3, y que deba soportar aislamiento reforzado, necesita 50 mm de trayectoria superficial. No hay ninguna disposición de nervios dentro de una caja de conexiones que fabrique 50 mm honestamente. Esa única celda explica la mayoría de las decisiones de diseño en la categoría de producto.

El mismo requisito, dibujado de seis maneras

Un requisito, seis respuestas. La misma tensión de servicio de 1600 V necesita 8 mm en la celda superior izquierda y 50 mm en la inferior derecha, antes de cualquier tolerancia de medición.

El punto de la matriz no son los números sino su rango. Entre la celda superior izquierda y la celda inferior derecha el requisito crece más de seis veces, con idéntica tensión de servicio. Nada del módulo cambió. Lo que cambió es dónde se sitúa la superficie y de qué está hecha, y ambas son decisiones tomadas en un plano y en una hoja de especificación de materiales.

Dónde corren realmente las trayectorias en una caja

Una caja de conexiones es pequeña, por lo que la intuición dice que las distancias son cortas y el problema es trivial. En la práctica hay tres clases de trayectoria, con tres requisitos diferentes, y solo una de ellas suele ser la difícil.

• Parte activa a superficie exterior. Desde un terminal o barra colectora, a través del interior, pasando por o alrededor del cuerpo, hasta el exterior de la carcasa y la cara de montaje del backsheet. Esto es aislamiento a tierra y se evalúa como reforzado. Es la trayectoria que con mayor frecuencia bloquea un diseño, porque tiene que salir de la caja.
• Terminal a terminal. Los terminales adyacentes se sitúan a ambos lados de un diodo de derivación, que protege un subconjunto, por lo que la diferencia de potencial es de decenas de voltios como máximo. Esto es aislamiento funcional y su requisito es mucho menor. Rara vez es la restricción, aunque es la trayectoria que la gente mide primero porque es la más fácil de ver.
• Salida de cable, sellado y junta de tapa. No suele ser la trayectoria más corta, pero son las rutas por las que entran la humedad y la contaminación. Deciden en qué grado de contaminación se puede evaluar el interior, por lo que fijan el requisito para todo lo demás. Un interior perfecto de 16 mm dentro de una caja que respira es un requisito de 40 mm disfrazado.

La medición tiene su propia convención, y es donde los planos fallan silenciosamente. Cuando la trayectoria cruza una ranura, no todas las ranuras cuentan. Si la ranura es más estrecha que el ancho especificado X, la contaminación la puentea, y la trayectoria se toma en línea recta a través de la boca de la ranura. Solo una ranura más ancha que X aporta sus paredes y fondo a la trayectoria medida. X sigue el grado de contaminación: aproximadamente 1,0 mm en grado 2 y aproximadamente 1,5 mm en grado 3. Las nervaduras y ranuras dentro de las cajas existen precisamente para alargar la ruta superficial dentro de un volumen fijo, y una nervadura más estrecha que X no ha estado haciendo nada en absoluto.

El encapsulado es una decisión sobre el grado de contaminación

Vuelva a la matriz y observe qué variables posee realmente. La tensión de trabajo la fija el sistema. Las dimensiones exteriores las fijan el módulo, el espacio del backsheet y la lista de materiales. Eso deja dos palancas: el material y el grado de contaminación. Las cajas de producción accionan ambas a la vez.

La palanca del material significa elegir un compuesto de alto índice de seguimiento, típicamente un PPO modificado o un grado de PC. La trampa es que el índice es una propiedad de la formulación, no de la familia de polímeros: los retardantes de llama, los rellenos e incluso los colorantes lo modifican, y el mismo grado en un color diferente o de un lote diferente puede caer en un grupo diferente. Una cualificación de material que copia el valor de la hoja de datos y omite el ensayo de seguimiento no ha cualificado nada.

La palanca de la contaminación es donde entra el encapsulado en el argumento. Un compuesto de encapsulado que cubre completamente las partes activas elimina la superficie del contacto con el aire y la humedad, lo que permite evaluar el grado de contaminación de esa región mucho más bajo. En el límite, el requisito ya no es una trayectoria superficial sino aislamiento sólido a través del compuesto. La IEC 62790 exige que cualquier reducción del grado de contaminación por recubrimiento o encapsulado cumpla las condiciones de su Anexo B, y el principio que subyace proviene de la IEC 60664-3; la edición de 2020 también añadió distancias a través de uniones cementadas a su tabla 3.

Eso reformula para qué sirve la línea de pegamento. El encapsulado suele describirse como protección contra la humedad y conducción térmica. En el argumento del aislamiento también es lo que reescribe el grado de contaminación, y solo lo reescribe mientras el compuesto esté intacto y adherido. Un vacío, una cavidad de contracción o una zona desadherida a lo largo de un terminal no reducen el rendimiento del aislamiento en un porcentaje. Restablecen localmente la trayectoria superficial que usted creía haber eliminado, con el requisito completo de grado 3, en un lugar que nadie mide.

Lo que el encapsulado tiene que soportar para conservar ese crédito

Como el crédito es condicional, los criterios de aceptación del encapsulado son eléctricos y no cosméticos, y deben redactarse así en la hoja de proceso.

En nuestra línea, evaluamos las cajas de conexiones encapsuladas ejecutando ensayos de rigidez dieléctrica y resistencia de aislamiento hasta 1500 V, confirmando que ningún vacío interno o defecto de curado comprometa el aislamiento eléctrico requerido.

• Cobertura y altura de llenado. Cada parte activa de la que depende el argumento del aislamiento tiene que estar bajo el compuesto, a la altura especificada, en cada unidad. El peso o el volumen por inyección es el indicador indirecto barato; una sección transversal en la primera pieza es la comprobación honesta.
• Vacíos y cavidades de contracción. La proporción de mezcla, la desgasificación y el perfil de curado los determinan. Un dosificador de mezcla y dosificación de dos componentes que mantiene la proporción dentro de una tolerancia declarada es lo que hace repetible el argumento, por lo que la precisión de dosificación de la estación de llenado es un parámetro de aislamiento y no solo de coste.
• Adhesión al cuerpo y al terminal. El compuesto tiene que permanecer adherido a través del calor húmedo y los ciclos térmicos. Una vez que se despega, la superficie vuelve, y el margen de diseño se va con ella.
• Evidencia tras el envejecimiento. El crédito se reclama después de la secuencia de envejecimiento, no antes. Si el informe de cualificación muestra la adhesión del encapsulado solo antes del calor húmedo, el número de la tabla aún no es suyo.

Por qué una caja de 1000 V no se convierte en una caja de 1500 V

La versión más cara de este error es comercial: tome una carcasa cualificada de 1000 V, imprima una nueva etiqueta, envíela a un sistema de 1500 V. El salto de tensión mueve el requisito a una nueva fila de la tabla, y la geometría existente, el grupo de material existente y la disposición de encapsulado existente se optimizaron todos para la fila antigua. A veces el diseño aún pasa; la única forma de saberlo es rehacer la medición superficial a la nueva tensión y repetir los ensayos pertinentes. La misma lógica se aplica un nivel por encima: el avance hacia sistemas de 2000 V no solo cambia el diseño de células y módulos, sino que reabre el expediente de coordinación de aislamiento para cada componente del lado de CC.

También importa sobre qué cualificación se está apoyando. IEC 61215 e IEC 61730 demuestran cosas diferentes, y ninguna sustituye los requisitos de construcción de la otra. La coordinación de aislamiento se sitúa en el lado de la 61730, en la revisión de construcción, y la hoja de medición es evidencia para esa revisión y no para el rendimiento. Si la propia jerarquía de normas no está clara en su organización, la relación entre las normas IEC, UL, GB/T y de grupo merece resolverse antes del próximo cambio de producto.

Para satisfacer los puntos de inspección de la IEC 61730, verificamos los módulos terminados utilizando secuencias de ensayos de seguridad que combinan hipot, resistencia de aislamiento y mediciones de fuga en húmedo en cada lote de producción antes del embalaje final.

Lo que comprobaríamos antes de la próxima fabricación

Cinco comprobaciones, en el orden que encuentra los problemas de forma más económica.

• Lea el requisito del plano, no del informe. Tome la ruta real del peor caso desde la parte viva hasta la superficie accesible, aplique la regla de la ranura con la X correcta y compárela con la celda de la tabla que coincida con su grado de contaminación declarado y su grupo de material. La mayoría de los fallos se encuentran aquí, en papel, gratis.
• Verifique el índice de seguimiento por lote y por color. Solicite el ensayo de seguimiento sobre el compuesto real suministrado, no sobre la ficha técnica de una familia. Registre el grupo en el plan de inspección de entrada y trate un cambio de color como un material nuevo.
• Inspeccione la cobertura del encapsulado en un corte. Una primera pieza por turno, cortada y fotografiada, con la altura de llenado y los criterios de huecos por escrito. La inspección cosmética del exterior de una caja no le dice nada sobre el interior.
• Ensayar el aislamiento eléctricamente, en cada unidad. Un ensayo de rigidez dieléctrica y de resistencia de aislamiento al final de la línea es la única comprobación que ve el artículo ensamblado. Equipos como el probador de seguridad CHT9980A existen exactamente para esta puerta, y los límites de ensayo deben provenir del requisito de construcción, no de una costumbre heredada de un producto anterior.
• Conserve la evidencia de la unión con el producto. El encapsulado y la soldadura del terminal se realizan en la misma línea, y un paso de soldadura con perfil registrado es lo que le permite argumentar después que la superficie bajo el compuesto estaba limpia cuando se cubrió. La contaminación bajo el encapsulado es invisible y permanente.

De dónde vienen estos números

Los seis valores de la matriz, los límites de los grupos de material y las anchuras de ranura X provienen del artículo fuente, que los tabula para el nivel de 1600 V de IEC 60664-1 y señala que el aislamiento reforzado se toma como el doble del valor básico y el grupo III como IIIa. Los números de las normas y su alcance (IEC 62790 para cajas de conexiones, IEC 60664-1 para coordinación de aislamiento, IEC 60664-3 para recubrimiento y encapsulado, IEC 61730-1 para construcción de módulos) son los citados allí.

Lo que es nuestro: la lectura de la matriz como argumento de espacio de diseño, el orden de las cinco comprobaciones y la afirmación de que el encapsulado es una decisión de grado de contaminación antes que una de impermeabilización. Esa afirmación se deriva del Anexo B y de IEC 60664-3, pero la redacción es nuestra interpretación y su organismo de certificación tiene la última palabra. No hemos medido las cajas de las fotografías, y ningún número aquí proviene de un ensayo que hayamos realizado.

Preguntas frecuentes

P: ¿La línea de fuga es siempre mayor que la distancia de aislamiento?

Para el mismo par de conductores, sí. La ruta superficial tiene que recorrer alrededor de lo que cruce el camino de aire, por lo que no puede ser más corta. Un plano que muestre lo contrario tiene un error de medición, normalmente una ranura contada que debería haberse puenteado.

P: ¿Qué grado de contaminación se aplica dentro de una caja encapsulada?

Ese es el objetivo del encapsulado: la región cubierta puede evaluarse con un grado inferior, o como aislamiento sólido, siempre que se cumplan las condiciones del Anexo B de IEC 62790. La región descubierta, y cualquier hueco dentro del compuesto, permanece en el grado que implica su entorno.

P: ¿Un índice de seguimiento más alto me permite siempre reducir la caja?

Le mueve una columna en la tabla, lo que puede reducir el requisito a la mitad. Si eso se convierte en una caja más pequeña depende del resto de la disposición y de si el material sigue cumpliendo los requisitos mecánicos y de inflamabilidad con ese índice.

P: ¿Puedo usar el informe del proveedor para la cualificación de mi propio módulo?

Solo si el informe cubre el artículo exacto, el grupo de material exacto y el grado de contaminación exacto que usted declara. Un informe de una caja de 1000 V en un color diferente es evidencia sobre un producto diferente.

P: ¿Qué cambia en la práctica la regla de ranura de 1,0 mm y 1,5 mm?

Decide si una nervadura cuenta. Una nervadura más estrecha que X queda puenteada por la contaminación y no contribuye nada a la ruta medida, por lo que una disposición llena de nervaduras finas puede medir mucho menos de lo que sugiere el plano. En el grado 3 el umbral es el mayor de los dos, lo que hace que las nervaduras finas sean aún menos útiles.

P: ¿Por qué la calidad del encapsulado es un problema eléctrico?

Porque el crédito de aislamiento depende de que el compuesto sea continuo y esté adherido. Un hueco o un desprendimiento restablece una ruta superficial con el requisito completo de su entorno, en una ubicación que ninguna inspección rutinaria examina.

P: ¿Cambia algo 1500 V para los terminales?

De terminal a terminal es aislamiento funcional y normalmente sigue siendo fácil. El paso importa de la parte viva a la superficie exterior, y para la línea de fuga a través del cuerpo y alrededor de la salida del cable, que es donde recae el requisito reforzado.

P: ¿Dónde encaja la norma de seguridad de módulos?

IEC 61730-1 establece los requisitos de construcción, incluida la coordinación de aislamiento, e IEC 62790 da a la caja de conexiones sus propios requisitos y ensayos de seguridad. La hoja de medición es evidencia para la revisión de construcción; los ensayos de rendimiento según IEC 61215 responden a una pregunta diferente.

Reflexiones finales

La línea de fuga parece un número que hay que medir y en realidad es una decisión que hay que tomar. La tensión de servicio proviene del sistema y las dimensiones provienen del módulo, por lo que las dos palancas que quedan son el material y el grado de contaminación, y ambas se deciden mucho antes de que se rellene la hoja de medición. Pregunte bajo qué grado de contaminación y qué grupo de material se cualificó una clasificación de caja, y si el encapsulado que la sustenta sobrevivió intacto al calor húmedo. Esa pregunta no cuesta nada y encuentra la mayoría de los problemas mientras todavía están en papel.

OOITech suministra la Probadores de seguridad fotovoltaica CHT9980A y CHT9981A para realizar ensayos de hipot, resistencia de aislamiento, continuidad de tierra y fuga en húmedo en líneas de producción. Envíe sus planos de caja de conexiones, especificaciones de apilamiento de módulos o muestras de ensayo a nuestro equipo de ingeniería para su evaluación y configuración de los parámetros de ensayo.