A medida que el mundo avanza hacia fuentes de energía renovables, el papel de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) ha adquirido cada vez mayor importancia. El ESS, que incluye tecnologías como baterías, supercondensadores y volantes de inercia, garantiza la estabilidad y confiabilidad de las redes eléctricas.
Sin embargo, estos sistemas deben protegerse contra condiciones de sobrecorriente que pueden provocar fallas catastróficas. Los fusibles, como dispositivos de protección simples pero efectivos, son fundamentales para proteger a los ESS de tales escenarios. Este artículo tiene como objetivo profundizar en la estructura de los ESS, el papel de Fusibles en ESS, criterios de selección y los desafíos encontrados en su implementación.
Introducción a los sistemas de almacenamiento de energía
Los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) están diseñados para almacenar energía y liberarla cuando sea necesaria, lo que garantiza la confiabilidad, la eficiencia y la estabilidad del suministro eléctrico. La estructura de un ESS abarca varios componentes y subsistemas clave, cada uno de los cuales desempeña un papel crucial en la funcionalidad general.
Los elementos principales de un ESS incluyen el medio de almacenamiento de energía (como Baterías de iones de litio), sistema de conversión de energía (PCS), sistema de gestión de energía (EMS) y sistemas auxiliares. Esta estructura integral permite que el ESS gestione eficazmente el flujo de energía, mantenga la seguridad y optimice el rendimiento.
Un sistema ESS típico consta de varios niveles de diferentes conjuntos de baterías:
Figura 1: Ejemplo de conjuntos de baterías ESS
Figura 2: Ejemplo de topología ESS
El papel de los fusibles de CC en los sistemas de almacenamiento de energía
Un fusible es un dispositivo que protege un sistema eléctrico contra sobrecorrientes (exceso de corriente) al fundir uno o más elementos fusibles, abriendo y aislando así el circuito defectuoso. Los fusibles ultrarrápidos se utilizan ampliamente para proteger semiconductores de potencia en aplicaciones de electrónica de potencia de CA y CC y ahora se utilizan para proteger sistemas de baterías como almacenamiento de energía, SAI y vehículos eléctricos. Los fusibles ESS brindan una excelente protección contra los efectos potencialmente dañinos de las corrientes de cortocircuito.
Los fusibles ESS logran esta protección al limitar la magnitud y la duración de una falla, limitando así la energía generada por sobrecorriente y la corriente pico que se permite que fluya.
En un ESS, esto significa instalar fusibles no solo para proteger los distintos niveles del sistema de cortocircuitos en la batería, sino también para proteger otros dispositivos de protección contra sobrecorriente, como contactores e interruptores, de daños si se seleccionan correctamente. En algunos casos, se puede lograr una coordinación selectiva entre fusibles, lo que agrega otra capa de protección.
Criterios de selección de fusibles de CC en ESS
La selección del fusible adecuado para un ESS implica tener en cuenta varios factores para garantizar una protección y un rendimiento óptimos del sistema:
1. Clasificación de voltaje:
El fusible debe tener una tensión nominal igual o superior a la tensión de funcionamiento del sistema para garantizar un funcionamiento seguro. El uso de un fusible con una tensión nominal inadecuada puede provocar que el fusible no interrumpa la corriente de falla, lo que puede provocar daños y riesgos de seguridad.
2. Clasificación actual:
La corriente nominal debe coincidir con la corriente de funcionamiento normal del sistema, con un margen para adaptarse a las condiciones transitorias sin que se produzcan explosiones innecesarias. Es esencial lograr un equilibrio entre la protección del sistema y la prevención de disparos molestos, que pueden ocurrir si el fusible es demasiado sensible.
3. Clasificación de interrupción:
Esta clasificación indica la corriente de falla máxima que el fusible puede interrumpir de manera segura. Debe ser mayor que la corriente de falla potencial en el ESS. Una evaluación precisa de la posible corriente de falla es crucial para seleccionar un fusible con una clasificación de interrupción adecuada.
4. Capacidad mínima de ruptura (CMB):
El MBC del fusible se especifica para una tensión y una constante de tiempo determinadas. Es fundamental saber que el MBC es una función de la tensión del sistema y de la constante de tiempo del circuito en el que se utiliza. Si el sistema en el que se aplica el fusible tiene una tensión y/o una constante de tiempo inferiores, el MBC del fusible variará.
El MBC puede variar ampliamente según el tipo de fusible. En el caso de los fusibles utilizados en aplicaciones ESS, el MBC puede variar entre 3 y 15 veces la corriente nominal del fusible. Póngase en contacto con el fabricante del fusible para obtener información adicional sobre el MBC.
Si bien los usuarios conocen bien el IR, el MBC suele pasarse por alto. En aplicaciones ESS, se debe tener en cuenta el MBC debido a las limitadas capacidades de generación de corriente de cortocircuito de las baterías. Sin embargo, también es importante conocer el MBC para asegurarse de que las corrientes de falla que el fusible debe interrumpir se encuentren dentro del rango de operación del fusible. Para el fusible de bastidor, tener un MBC bajo en el rango de 2-3In es muy beneficioso para promover la coordinación y la protección del contactor.
5. Características de tiempo-corriente:
El tiempo de respuesta del fusible a las condiciones de sobrecorriente debe estar en línea con los requisitos de protección del ESS. Los fusibles de acción rápida son adecuados para componentes sensibles, mientras que los fusibles de acción lenta son ideales para circuitos con corrientes de entrada. La curva característica de tiempo-corriente de un fusible proporciona información sobre su comportamiento en diferentes condiciones de sobrecorriente.
6. Consideraciones ambientales:
También se deben tener en cuenta las condiciones ambientales en las que funcionará el fusible. Factores como la temperatura, la humedad y la exposición a entornos corrosivos pueden afectar el rendimiento y la longevidad del fusible. La selección de un fusible con las clasificaciones ambientales adecuadas garantiza un funcionamiento confiable en condiciones específicas.
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Conclusión
Los fusibles desempeñan un papel fundamental en la protección de los sistemas de almacenamiento de energía, garantizando su fiabilidad y seguridad. Al comprender los diferentes tipos de fusibles, sus criterios de selección y los desafíos asociados con su implementación, los ingenieros pueden diseñar sistemas de almacenamiento de energía más eficaces y resistentes. A medida que la demanda de energía renovable y de sistemas de almacenamiento de energía sigue creciendo, el desarrollo de tecnologías avanzadas de fusibles será crucial para satisfacer las necesidades cambiantes del sector energético.
Los fusibles no solo brindan protección inmediata contra condiciones de sobrecorriente, sino que también contribuyen a la estabilidad y eficiencia a largo plazo de los sistemas de almacenamiento de energía. Los fusibles seleccionados y mantenidos correctamente pueden prevenir fallas catastróficas, reducir los costos de mantenimiento y extender la vida útil de las instalaciones de ESS.
Las futuras investigaciones y desarrollos en tecnología de fusibles deberían centrarse en mejorar las características de rendimiento de los fusibles, mejorar su compatibilidad con nuevas tecnologías de almacenamiento de energía y desarrollar soluciones rentables para implementaciones de ESS a gran escala.
