Proteção contra descargas atmosféricas em sistema de geração fotovoltaico

Caderno Renováveis – Agosto de 2016
Por Wagner Barbosa*

Sistema de pequeno porte.

A Figura 1 mostra o arranjo básico de um sistema de geração solar fotovoltaico de pequeno porte interligado na rede de distribuição de energia elétrica.

Figura 1 – Esquema de geração fotovoltaica grid tie.

Os sistemas fotovoltaicos estão diretamente expostos a surtos provocados por descargas atmosféricas ou por chaveamento nas linhas de energia. Estes surtos podem reduzir a vida útil, ou até mesmo danificar os módulos fotovoltaicos e os inversores, situações que certamente terão impacto nos custos de manutenção e consequente aumento do tempo de amortização.

Várias ocorrências podem causar sobretensões em um sistema fotovoltaico, conforme:

• Descarga direta no SPDA externo da instalação;
• Descargas próximas à instalação;
• Descargas diretas ou próximas à rede de distribuição de energia da concessionária de energia;
• Sobretensões oriundas da rede de distribuição de energia em função de faltas, chaveamentos (operações de comutação).

Como solução, faz-se necessária a utilização de protetores contra surtos elétricos (DPS) apropriados para mitigação desses riscos de queima e danos, protegendo, assim, o investimento realizado no sistema fotovoltaico.

A seleção e a instalação de DPS em sistemas fotovoltaicos dependerá de vários fatores, conforme a seguir:

• Densidade de descargas para a terra – N_G (raios/km²/ano) do local;
• Características do sistema de energia de baixa tensão (por exemplo, linhas aéreas ou subterrâneas) e do equipamento a ser protegido;
• Suportabilidade dos equipamentos frente a sobretensões;
• Se o painel fotovoltaico precisa ser protegido contra descargas diretas.

Do ponto de vista da suportabilidade dos equipamentos instalados nas linhas de corrente contínua, os DPSs devem possuir nível de proteção inferior à suportabilidade dos equipamentos.

A Tabela 1 mostra os valores de suportabilidade a tensões impulsivas para equipamentos que compõem o sistema de geração fotovoltaica, em que U_{oc max}representa a máxima tensão do sistema fotovoltaico em corrente contínua e Uw representa a suportabilidade dos equipamentos a sobretensões impulsivas.

Tabela 1 – Suportabilidade a tensões impulsivas de equipamentos
que compõem o sistema de geração fotovoltaica

Proteção contra descargas atmosféricas indiretas

A localização e o tipo dos DPS, no caso de indução provocada por descargas atmosféricas próximas, devem ser conforme mostra a Figura 2. 

Figura 2 – Diagrama esquemático da localização dos DPS.

O DPS 2, mostrado na Figura 2, não será necessário se a distância entre o quadro de destruição de circuitos e o inversor for menor do que 10 m. O DPS 4 não será necessário se a distância entre o inversor e o painel fotovoltaico for menor do que 10 m, conforme mostra a Figura 3. As distâncias L₁ e L₂ devem ter comprimento menor que 0,5 m.

Figura 3 – Esquema de conexão de DPS.

Proteção contra descargas diretas

Duas situações serão analisadas, arranjos onde o SPDA é isolado do sistema fotovoltaica e arranjos onde o SPDA é interligado no sistema fotovoltaico.

Instalação de painéis fotovoltaicos em edificação com SPDA externo isolado do sistema fotovoltaico 

Figura 4 – Localização do DPS no caso de descarga direta e painéis isolados do para-raios.

Mesmo com a separação entre o sistema de captação e o sistema de geração fotovoltaica, uma parcela da corrente do raio será distribuída via linhas de alimentação elétrica. Neste caso, deve-se utilizar DPS classe I, ou seja, com capacidade para drenar uma parcela da corrente do raio, conforme mostra a Figura 5, DPS 3.

Figura 5 – Diagrama esquemático localização dos DPSs.

O DPS 2 não será necessário se o inversor estiver localizado junto ao quadro de distribuição de circuitos, conectado à mesma barra de terra do quadro, com comprimento de cabo menor que 0,5 m e o DPS 1 for classe I/II, com nível de proteção adequado para proteção do inversor.

Instalação de painéis fotovoltaicos em estrutura com SPDA externo conectado aos painéis fotovoltaicos

Nesta situação, os condutores de alimentação, tanto em corrente alternada quanto os de corrente contínua, estarão em paralelo com os condutores de aterramento, portanto, sujeitos a receber uma parcela da corrente de descarga.

Figura 6 – Localização do DPS.

A parcela da corrente que será drenada via DPS dependerá:

• Do nível de proteção do sistema de proteção de descargas atmosféricas, conforme estabelecido na ABNT NBR 5419;
• Da resistência de aterramento;
• Do número de condutores de descida do para raios;
• Da distância entre os painéis e o inversor e barra de aterramento local;
• Da impedância do DPS (curto-circuitante ou limitador de tensão).

A Figura 7 mostra um exemplo de distribuição de corrente em instalação com duas descidas.

Figura 7 – Diagrama esquemático da instalação do DPS.

Em que:

Z_A1 …Z_A2: Impedância dos condutores de descida;

Z_PE: Impedância da ligação equipotencial;

TAL: Barra de equipotencialização local;

Z₁…Z₂: Impedância dos condutores em corrente contínua;

I₁..I₂: corrente de descarga na linha de corrente contínua drenada pelos DPS – 1,2;

I_Total: corrente de descarga total drenada pelo pelo DPS 3;

I₄…I₇: corrente de descarga drenada pelo DPS instalados nas linhas de energia em corrente alternada.

A Tabela 2 exibe os valores mínimos para corrente nominal – I_n e corrente de impulso –  I_imp para DPS tipo limitador de tensão a serem instalados nas linhas de corrente contínua. O número de descidas da edificação influenciará na parcela da corrente que será desviada via condutores do sistema de geração fotovoltaica.

Tabela 2 – Valores estimados de I_n e I_imp para DPS tipo
limitador de tensão para instalação na linha de corrente contínua

Por exemplo, para uma instalação com SPDA nível III, deve-se utilizar DPS nos cabos de corrente contínua com corrente de impulso I_imp mínima de 5kA e corrente nominal de descarga I_n de 8,5 kA.

Como os condutores estarão em paralelo com os condutores de aterramento, os DPS devem ser classe I, conforme mostra a Figura 8.

Figura 8 – Diagrama esquemático localização dos DPSs.

O DPS 2 não será necessário se o inversor estiver localizado junto ao quadro de distribuição de circuitos, conectado à mesma barra de terra do quadro, com comprimento de cabo menor que 0,5 m e o DPS 1 for classe I/II, com nível de proteção adequado para proteção do inversor.

Planta de geração fotovoltaica de grande porte

Uma planta de geração fotovoltaica é caracterizada por múltiplos aterramentos e malhas (mesh), reduzindo os valores da corrente de descarga a serem drenados pelos DPS em corrente contínua.

A corrente parcial de descarga dependerá:

• Do nível de proteção do SPDA;
• Da resistência de aterramento. Resistência de aterramento elevada resultará em correntes mais elevadas para os DPS instalados nas linhas de corrente contínua;
• Da dimensão da malha (mesh);
• Da impedância do DPS;
• Do tipo de inversor utilizado: centralizado ou distribuído. No caso de sistema centralizado, a corrente parcial de descarga será drenada pelo DPS instalado na linha de corrente contínua. No caso de sistema com inversores distribuídos, a corrente parcial será drenada pelos DPS instalados nas linhas de corrente alternada.

A Figura 9 mostra, de forma simplificada, uma planta de geração com vários painéis interligados.

Figura 9 – Planta de geração fotovoltaica.

A Tabela 3 mostra valores mínimos para corrente nominal – I_n e corrente de impulso –  I_imp, tanto para DPS tipo limitador de tensão, quanto para tipo comutador de tensão a serem instalados nas linhas de corrente contínua.

Tabela 3 – Valores estimados de I_n e I_imp para DPS tipo limitador de tensão
ou tipo comutador de tensão para instalação na linha de corrente contínua

Tipos de conexões

Sistemas isolados

Três tipos de conexão são utilizados em sistemas isolados:

• Conexão tipo estrela;
• Conexão tipo delta;
• Conexão em modo comum.

Os três tipos de conexão serão descritos a seguir.

Para aplicação de DPS em sistema de geração fotovoltaica com tensões em corrente contínua entre 100 VDC e 1000 VDC, a prática recomenda a utilização de combinação de DPS ligados em série. Na Figura 10 é detalhada uma ligação tipo estrela, em que os DPS 1, DPS 2 e DPS 3 devem ser iguais no que se refere à tensão nominal e à capacidade de corrente nominal de surto. A soma das tensões nominais dos DPS 1 e DPS 2, DPS 1 e DPS 3, DPS 2 e DPS 3 deve ser superior à tensão máxima do sistema – U_{oc max} entre positivo e negativo. A Figura 11 traz um exemplo de produto adequado para instalação em sistema fotovoltaico de 1000 VDC.

Figura 10 – Conexão tipo estrela.

Figura 11 – Exemplo de produto com circuito preparado para conexão tipo estrela – VCL SP 1000 VDC.

A conexão em delta, detalhada na Figura 12, representa a conexão clássica utilizada para proteção em modo comum, ou seja, entre linha e terra e modo transversal, entre linhas. Os DPS 1, DPS 2 e DPS 3 devem ser iguais no que se refere à tensão nominal e à capacidade de corrente nominal. O DPS 1, conectado em modo transversal, deve possuir tensão nominal superior à tensão máxima do sistema – U_{oc max}  entre o polo positivo e negativo.

Figura 12 – Conexão em delta.

Na conexão em modo comum detalhada na Figura 13, deve ser levada em consideração a suportabilidade dos equipamentos às sobretensões (ver Tabela 1), uma vez que a tensão residual a ser estabelecida entre os polos positivo e negativo, quando da operação dos DPS, será a soma das tensões residuais dos DPS 1 e DPS 2.

Figura 13 – Conexão em modo comum.

Sistemas aterrados

Em sistema com um dos polos aterrados, deve ser previsto um DPS entre o polo positivo e negativo, DPS 1 e outro, entre polo aterrado e a barra de aterramento da instalação, DPS 2, conforme detalhado na Figura 14. O DPS 2 poderá ser suprimido se a conexão do DPS 1 for executada na mesma barra de aterramento do polo, ou se a distância (L) for inferior a 1 m. O DPS 1, conectado em modo transversal, deve possuir tensão nominal superior à tensão máxima do sistema – U_{oc max}  entre o polo positivo e negativo. O DPS 2, quando necessário, poderá ter tensão nominal inferior à tensão entre os polos positivo e negativo.

Figura 14 – Conexão ema sistema aterrado.

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*Wagner Barbosa é engenheiro eletricista com MBA em Gestão de Empresas e Negócios. É diretor técnico industrial na Clamper Indústria e Comércio, empresa especialista em dispositivos de proteção contra descargas atmosféricas. É membro do Comitê Brasileiro de Eletricidade (CB3/Cobei) e membro do Conselho Diretor da P&D Brasil, Associação de empresas de base tecnológica nacional.