PROTEÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS NA REDE ELÉTRICA (SFCR)

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JARDEL EUGENIO DA SILVA (1), DANILO CARVALHO DE GOUVEIA(2), DR. JAIR URBANETZ JUNIOR (3)

1 PPGSE, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, e-mail: jardel.eugenio@hotmail.com
2 PPGSE, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, e-mail: danilocgou@gmail.com
3 PPGSE e PPGEC, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, e mail: urbanetz@utfpr.edu.br

Resumo:

As instalações de sistemas fotovoltaicos conectados ou não à rede elétrica têm se tornado cada dia mais populares, porém muitas vezes é feito por pessoas não qualificadas e com utilização de componentes de baixa qualidade.  O presente artigo visa descrever a metodologia adotada para proteção de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (SFVCR) e as implicações causadas pela sua falta. Os módulos fotovoltaicos são tipicamente instalados em estruturas de aço galvanizado, pintado, inoxidável ou de alumínio, os quais devem ser ligados a um  aterramento comum, pois essas estruturas e quaisquer outros componentes do sistema, os quais poderiam se tornar energizados pela matriz fotovoltaica, podendo causar lesões grave ou até a morte durante a manutenção de rotina, essas fatalidades podem ainda resultar em ramificações para toda a indústria, com milhões de reais em responsabilidade (por morte ou lesão), publicidade negativa para SFVCR e aumento de complicações na obtenção de licenças. Também seus componentes devem ser de boa qualidade e os sistemas de proteção devem ser bem dimensionados e corretamente instalados, de forma a evitar incêndios e danos elétricos, com redução de possíveis prejuízos em casos de curtos circuitos.

Palavras chave: Sistemas Fotovoltaicos, Aterramento, Módulos Fotovoltaicos, Proteção.

Abstract:

Installations of photovoltaic systems connected or not to the electrical network have become increasingly popular, but it is often done by unqualified people using low quality components. The present article aims to describe the methodology adopted for the protection of grid connected photovoltaic systems (SFCR) and the implications caused by their lack. Photovoltaic modules are typically installed in galvanized, painted, stainless or aluminum steel structures, which must be connected to a common ground, as these structures and any other components of the system could be energized by the photovoltaic array and may cause Serious injuries or even death during routine maintenance, these fatalities can still result in ramifications for the entire industry, with millions of dollars in liability (for death or injury), negative publicity for SFVCR, and increased complications in obtaining licenses. Also its components must be of good quality and the systems of protection must be well dimensioned and correctly installed, in order to envy fires and electric damages, with reduction of possible damages in cases of short circuits.

Keywords: Photovoltaic systems, Grounding, Photovoltaic modules, Protection.

1. INTRODUÇÃO

As instalações de sistemas fotovoltaicos conectados ou não à rede elétrica têm se tornado cada dia mais populares, porém muitas vezes é feito por pessoas não qualificadas e com utilização de componentes de baixa qualidade. O presente artigo visa descrever a metodologia adotada para proteção de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (SFVCR) e as implicações causadas pela sua falta. Os módulos fotovoltaicos são tipicamente instalados em estruturas de aço galvanizado, pintado, inoxidável ou de alumínio, os quais devem ser ligados a um  aterramento comum, pois essas estruturas e quaisquer outros componentes do sistema, os quais poderiam se tornar energizados pela matriz fotovoltaica, podendo causar lesões grave ou até a morte durante a manutenção de rotina, essas fatalidades podem ainda resultar em ramificações para toda a indústria, com milhões de reais em indenizações (por morte ou lesão), publicidade negativa para SFVCR e aumento de complicações na obtenção de licenças.   

Também seus componentes devem ser de boa qualidade e os sistemas de proteção devem ser bem dimensionados e corretamente instalados, de forma a envitar incêndios e danos elétricos, com redução de possíveis prejuízos em casos de curtos circuitos. Em vista disso, o objetivo desse artigo é abordar as principais tecnologias empregadas para a proteção de SFVCR, utilizando como base os métodos adotados nos Estados Unidos, pois no Brasil, ainda não existem normas ou regulamentações vigentes que abordem esse tema [1].

2. SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA (SFVCR)

        Um SFVCR é constituído basicamente pelo painel fotovoltaico, o qual converte a energia do sol em energia elétrica em corrente contínua, por um inversor, o qual converte a corrente contínua em corrente alternada e, além de disponibilizá-la para a instalação, também injeta o excedente dessa energia na rede da concessionária e, pelo medidor bidirecional, o qual contabiliza a energia injetada na rede da concessionária elétrica [2] [3]. A Fig. 1 mostra esses componentes. 

Fig. 1.  Painel fotovoltaico, inversor e medidor bidirecional

Fonte: Adaptado [4]

        Em um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica (SFVCR), alem do sistema de proteção, deve-se analisar a qualidade dos inversores, pois o mesmo deve se desconectar da rede em situação de falta de energia elétrica por parte da concessionária (anti-ilhamento), como tambem deve ter uma onda senoidal de boa qualidade, para que evitar possíveis perturbações nos sistemas de proteção da concessionária.

2.1. Aterramento do SFVCR

Um sistema fotovoltaico é considerado aterrado quando um dos condutores do circuito de corrente contínua (CC), positivo ou negativo, está ligado ao sistema de aterramento, que por sua vez está conectado à terra [7] [5].

Os módulos fotovoltaicos são tipicamente instalados em estruturas de aço galvanizado, pintado ou inoxidável ou de alumínio. Essas estruturas e quaisquer outros componentes que poderiam se tornar energizados pela matriz fotovoltaica, e que podem ser acessíveis durante a manutenção de rotina, devem ser ligados a um aterramento comum, conforme mostra na Fig. 2.

Fig. 2.  Aterramento de um sistema fotovoltaico

Fonte: Adaptado [7]

        O National Electric Code (NEC) não fornece orientação sobre como as peças de metal devem ser unidas para fornecer um aterramento confiável e está fora do escopo do padrão 1703 dos Underwriters Laboratories (UL) para módulos e painéis fotovoltaicos de chapa plana. Não há guias da indústria sobre como projetar, instalar e manter uma ligação elétrica confiável entre peças metálicas em ambientes externos por mais de 20 anos, deixando o instalador sem opção senão improvisar soluções para este problema, resultando um número surpreendentemente grande de sistemas de campo que violam a os padrões estabelecidos pela  UL, ao não cumprir com o método prescrito pelo manual de instalação de aterramento do quadro do módulo, muitas vezes  deixando as estruturas do módulo sem conexão à terra, ou criando uma conexão elétrica, com métodos improvisados, sem testes, validação de campo ou certificação para verificar se a conexão recém-criada duraria a vida útil  do sistema. Essas práticas representam um risco de segurança para o pessoal de manutenção, podendo causar uma lesão grave ou morte, e tal evento também teria ramificações para toda a indústria, com milhões de reais em indenizações (por morte ou lesão), publicidade negativa para SFVCR e aumento de complicações na obtenção de licenças [5].

2.1.1 Norma UL-1741

        Em um sistema SFVCR um dos condutores do circuito CC, positivo ou negativo, deve estar conectado ao sistema de aterramento, que por sua vez deve estar conectado à terra. Estes requisitos de conexão de aterramento exigem que cada inversor tenha no mínimo três terminais disponíveis e que eles estejam conectados entre si, juntamente com a carcaça do inversor, isso tudo em um barramento apropriado no próprio inversor [5].

        A ligação entre o condutor do circuito CC e o sistema de aterramento, em um arranjo FV, é feita geralmente através do dispositivo de proteção de falta à terra (Ground Fault Protection Device – GFPD) interno aos inversores conectados à rede, dessa forma, esse dispositivo exerce o papel do jumper de ligação do sistema. A presença desse jumper de ligação requer, de acordo com a norma UL Standard 1741, que inversores tenham terminais claramente identificados marcados para a conexão do condutor do eletrodo de aterramento, como mostrado a baixo na Fig. 3.

Fig. 3.  Terminal do condutor do eletrodo de aterramento

Fonte: Adaptado [7]

        A UL 1741 exige também que a entrada CC (input) e a saída CA (output) nos inversores possuam terminais, fios ou outras disposições para aceitar condutores de aterramento dos equipamentos (EGC - Equipment Grounding Conductor). Estes requisitos de conexão de aterramento exigem que cada inversor tenha no mínimo três terminais disponíveis e que eles estejam eletricamente conectados entre si e com a carcaça do inversor, isso tudo em um barramento apropriado no próprio inversor, como ilustrado na Fig. 4.

Fig. 4 – Terminais dos inversores

Fonte: Adaptado [6]

Outros países com normas e padrões de aterramento diferentes da dos EUA, aceitam inversores sem um terminal do eletrodo de aterramento.

2.2 Dispositivos de Proteção

        Os dispositivos de proteção estão disponíveis para serem adicionados nos sistemas fotovoltaicos isolados quanto nos conectados à rede elétrica. Alguns inversores já vêm equipados com estes dispositivos de proteção, que servem como junção e na presença de corrente de falta abrem essa junção. Caso estes dispositivos não exerçam sua função de junção, eles simplesmente atuam desconectando os condutores de corrente (negativo e positivo) do circuito [7].

        Dispositivo instalado incorreto ou com defeito, como interruptores de isolador CA sendo usado erroneamente em circuitos CC, resultando em um acúmulo de calor dentro do compartimento do interruptor e levando a um incêndio como mostra na Fig. 5 [8].

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Fig. 5.  Compartimento do interruptor

Fonte: Adaptado [8]

        Outros incidentes resultaram do uso de inversores com defeito ou ausência de interruptores CC, sendo que, quaisquer falhas de comutação ou conexão no lado CC de um sistema podem resultar na geração de um arco de alta temperatura que pode começar um incêndio, como mostra Fig. 6. Arcos de CC podem ser difícil de extinguir e constitui um risco para os bombeiros no combate ao fogo [8].

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Fig. 6.  Incêndio envolvendo painéis fotovoltaicos

Fonte: Adaptado [8] 

3. CONCLUSÃO

Os sistemas fotovoltaicos estão expostos aos efeitos de raios e sujeitos a curtos-circuitos, que originam altas correntes e, consequentemente, aumentam os riscos de incêndio e de danos aos aparelhos elétricos. Com o objetivo de diminuir esses riscos, dispositivos de proteção são instalados nesses sistemas, os quais são capazes de detectar excessiva corrente de curto-circuito ou falta de aterramento, e é capaz de interrompê-la. Os componentes de proteção contra sobre corrente, localizado no condutor CC, constitui de um sensor de corrente que mede a diferença de corrente entre os condutores positivo e negativo. Em qualquer arranjo fotovoltaico, correntes de fuga são esperadas e aumenta com o envelhecimento dos sistemas, principalmente em ambientes chuvosos. Para que o sistema não fique desarmando desnecessariamente, o limite de sobre corrente destes dispositivos, que varia de acordo com o tamanho do sistema, deve permitir correntes de fuga até certos valores. A NEC exige que os dispositivos de proteção sejam capazes de identificar e interromper correntes de falta à terra, entretanto, nada diz a respeito dos procedimentos necessários para alcançá-los.  

Comparando-se ao Brasil, a indústria de energia solar nos Estados Unidos tem mais tempo e, consequentemente, suas normas e regulamentação estão mais aprimoradas. Pode-se concluir que para que sistemas fotovoltaicos funcionem corretamente e sem riscos de causar acidentes ou incêndios, é necessário que no Brasil exista uma regulamentação não só para os componentes do sistema, mas também para os profissionais que farão a instalação e manutenção dos SFVCR.

4. REFERÊNCIAS

[1]      ASSAIFE, Bruno Monteiro. Aterramento e Proteção de Sistemas Fotovoltaicos. 2013. Tese de Doutorado. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Disponível em:

[2]      URBANETZ JUNIOR, Jair. Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Redes de Distribuição Urbanas: sua influência na qualidade da energia elétrica e análise dos parâmetros que possam afetar a conectividade. 2010. 189 p. Tese de Doutorado em Engenharia Civil – UFSC, Florianópolis – SC, 2010.

[3] Ministério de Minas e Energia. Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira. Rio de Janeiro: Empresa de Pesquisas Energéticas, 2012.

[4] Gerasol. Sistemas Conectados à rede. Disponível em: http://www.gerasolbr.com.br/energia-solar.html, 2016.

[5] WILES, J.C. “Photovoltaic System Grounding”. College of Engineering, New Mexico State University. Outubro, 2012. Disponível em: http://www.solarabcs.org (acessado em 19/06/2017)

[6] Step-By-Step Guide to Going Solar. Disponível em: acessado em 19/06/2017)

[7] International Fire Professional, Issue No 6, October 2013. Disponível em: . Acesso em: 20 mai. 2017.