UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA ALLYSON JOSÉ DE SOUSA GOMES
PROTEÇÃO CONTRA RAIOS E SURTOS EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Palhoça 2018
PROTEÇÃO CONTRA RAIOS E SURTOS EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Fabiano Max da Costa, Esp.
Palhoça 2018
Dedico este trabalho a minha mãe Francisca das Chagas de Sousa Gomes (in memoriam).
Inicialmente gostaria de agradecer a todas as pessoas e instituições que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho.
Ao professor Fabiano Max da Costa pela confiança em mim depositada, pela amizade, incentivo e orientação.
A minha mãe Francisca por primar por minha educação me apoiando incondicionalmente.
Ao meu pai Antônio, que me ensinou que o caráter, as ideias e a nobreza dos ideais são os verdadeiros valores de um homem.
Aos meus irmãos Apollyanne, Apolo e Admys pela amizade e cumplicidade.
Ao professor Djan de Almeida do Rosário e ao Marcos Willian Rodrigues, membros da banca examinadora pelas valiosas contribuições.
Aos meus companheiros de graduação, meu profundo agradecimento a todos vocês.
Aos professores e funcionários do curso de graduação em engenharia elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina.
A todos meus familiares e amigos que, nos momentos bons e ruins, me ajudaram e torceram por mim.
“Se eu vi mais longe, foi por estar sobre ombros de gigantes.” (ISAAC NEWTON, 1676).
Atualmente, devido ao aumento das fontes de energia renováveis, a energia solar fotovoltaica assumiu um papel importante dentro deste crescimento. No entanto, é inerente aos sistemas que os mesmos sejam instalados de forma exposta, de modo a permitir a incidência direta da luz solar. Devido a esta exposição, os sistemas se tornam bastantes vulneráveis aos efeitos das descargas atmosféricas. Os danos provocados por descargas atmosféricas sobre os sistemas resultam na redução da vida útil ou até mesmo na destruição de componentes, como módulos, inversores e sistemas de monitoramento, situações que certamente terão impacto nos custos de manutenção e consequente aumento do tempo de amortização do investimento. Este trabalho apresenta as atuais especificações técnicas, bem como as normas e regulamentos que abordam esse tema. Especifica os principais requisitos e métodos adotados para o dimensionamento de dispositivos de proteção contra surtos e sistemas de proteção contra descargas atmosféricas em matrizes fotovoltaicas. No que tange a uma das metodologias, o presente trabalho desenvolve três estudos de casos já implantados nas cidades de Florianópolis e Palhoça. Os dados foram coletados através de visitas técnicas, e a abordagem utilizada na análise dos dados foi qualitativa.
Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica. Descarga atmosférica. Proteção. Sistemas conectados à rede. Sistemas isolados.
Currently, due to the increase in renewable energy sources, photovoltaic solar energy has played an important role in this growth. However, it is inherent in systems that they are installed in an exposed manner, so as to allow the direct incidence of sunlight. Due to this exposure, the systems become quite vulnerable to the effects of atmospheric discharges. The damage caused by atmospheric discharges to the systems results in a reduction in the useful life or even the destruction of components such as modules, inverters and monitoring systems, situations that will certainly have an impact on maintenance costs and consequently increase the amortization time of the investment . This paper presents the current technical specifications, as well as the norms and regulations that approach this theme. It specifies the main requirements and methods adopted for the design of surge protection devices and lightning protection systems in photovoltaic arrays. With regard to one of the methodologies, the present work develops three case studies already implemented in the cities of Florianópolis and Palhoça. Data were collected through technical visits, and the approach used in data analysis was qualitative.
Key words: Photovoltaic solar energy. Atmospheric discharge. Protection. Systems connected to the network. Isolated systems.
Figura 1 - Sistema isolado (off-grid) ... 19
Figura 2 - Sistema conectado à rede (on-grid) ... 20
Figura 3 - Tipos de descargas atmosféricas... 23
Figura 4 - Atividade global de descargas atmosféricas de 1995 a 2013 ... 24
Figura 5 - Fases de comutação do DPS com conexão paralela de varistor + fusível ... 37
Figura 6 - Conexão dos DPSs na topologia Y ... 37
Figura 7 - Diagrama de instalação FV com DPSs regidos pelas determinadas normas ... 37
Figura 8 - Situação A - proteção contra surtos para gerador FV em uma edificação sem SPDA externo ... 40
Figura 9 - Método do ângulo de proteção versus método da esfera rolante ... 41
Figura 10 - Situação B - proteção contra surtos para gerador FV em uma edificação com SPDA externo. A distância de segurança é atendida ... 43
Figura 11 - Situação C - proteção contra surtos para gerador FV em uma edificação com SPDA externo. A distância de segurança não é atendida ... 44
Figura 12 - Diagrama de fluxo para seleção das medidas de proteção de um sistema FV ... 45
Fotografia 1 - Sistema FV implantado nos blocos F e H da UNISUL - Pedra Branca ... 47
Fotografia 2 - Inversores de frequência do sistema FV instalado nas coberturas dos blocos F e H ... 48
Fotografia 3 - String box para a proteção dos inversores ... 49
Fotografia 4 - Quadro de distribuição de circuitos CD5 ... 50
Fotografia 5 - Distância de segurança não atendida entre as estruturas FV e o subsistema de captação do SPDA ... 51
Figura 13 - Layout traseiro: método da esfera rolante utilizado para determinar o volume de proteção dos captores do SPDA ... 52
Figura 14 - Layout lateral: método da esfera rolante utilizado para determinar o volume de proteção dos captores do SPDA ... 52
estacionamento ... 54
Figura 16 - Diagrama inversor + String box modelo TRIO-20.0-TL-OUTD-S2X-400 ... 55
Figura 17 - String box do inversor TRIO-20.0-TL-OUTD-S2X-400 ... 55
Fotografia 7 - Inversor de frequência dos sistemas FV de solo... 56
Figura 18 - Diagrama inversor modelo UNO-2.0-I-OUTD-S ... 57
Fotografia 8 - String box para a proteção do inversor UNO-2.0-I-OUTD-S ... 57
Fotografia 9 - Sistema FV do bloco A com ausência de terminais aéreos ... 59
Fotografia 10 - Sistema FV da Clemar - UIP ... 60
Fotografia 11 - Características do sistema FV da Clemar - UIP ... 60
Fotografia 12 - Inversores de frequência do sistema FV instalado no telhado da Clemar - UIP ... 61
Fotografia 13 - String box com monitoramento por string ... 62
Figura 19 - Sistema supervisório da Clemar - UIP ... 63
Fotografia 14 - Distância de segurança atendida entre as estruturas FV e os componentes do SPDA ... 64
Fotografia 15 - Condutores/tubos de ligação equipotencial instalados na estrutura FV ... 64
Fotografia 16 - Condutores/cabos de ligação equipotencial instalados na parte metálica de cada módulo FV ... 65
Gráfico 1 - Curvas (I versus V e P versus V) características de um módulo fotovoltaico submetido a uma determinada irradiação e temperatura ... 35
Tabela 1 - Ranking dos 10 municípios brasileiros com maiores densidades de raios
por km²/ano ... 24
Tabela 2 - Ranking dos 10 municípios catarinenses com maiores densidades de raios por km²/ano ... 25
Tabela 3 - Descargas atmosféricas ... 32
Tabela 4 - Características dos sistemas FV da UNISUL - Pedra Branca ... 47
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas AC - Alternating Current
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica CELESC - Centrais Elétricas de Santa Catarina S/A DC - Direct Current
DIN - Deutsches Institut für Normung
DPS - Dispositivo de Proteção contra Surtos ELAT - Grupo de Eletricidade Atmosférica EN - European Norms
FV - Fotovoltaico (a)
IEC - International Electrotechnical Commission IN - Instrução Normativa
INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais LEMP - Lightning Electromagnetic Pulse
MPS - Medidas de Proteção contra Surtos NBR - Norma Brasileira
PEE - Programa de Eficiência Energética PEM - Pulso Eletromagnético
SPDA - Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas UIP - Unidade Industrial de Palhoça
1. INTRODUÇÃO ... 15 1.1. TEMA ... 15 1.2. PROBLEMA ... 15 1.3. JUSTIFICATIVA ... 16 1.4. OBJETIVOS ... 16 1.4.1. Objetivo geral ... 16 1.4.2. Objetivos específicos ... 17 1.5. DELIMITAÇÕES ... 17 1.6. METODOLOGIA DA PESQUISA ... 17 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 18 2.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 18
2.2. CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS... 18
2.2.1. Sistemas isolados (off-grid) ... 19
2.2.1.1. Vantagens e desvantagens dos sistemas off-grid ... 19
2.2.2. Sistemas conectados à rede (on-grid) ... 20
2.2.2.1. Vantagens e desvantagens dos sistemas on-grid ... 21
2.3. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ... 22
2.4. MÉTODOS DE PROTEÇÃO PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 26
2.4.1. Sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) ... 27
2.4.2. Dispositivo de proteção contra surtos (DPS) ... 29
2.4.3. Proteção contra raios e surtos em sistemas FV em edificações ... 30
2.4.3.1. String boxes distintas para os lados AC e DC ... 33
2.4.3.2. DPS no lado DC do sistema FV ... 34
2.4.3.3. Seleção de DPSs para a proteção em sistemas FV em edificações ... 38
3. ESTUDOS DE CASOS JÁ IMPLANTADOS ... 46
3.1. UNISUL - PEDRA BRANCA ... 46
3.1.1. Equipamentos ... 47
3.2. LABORATÓRIO FOTOVOLTAICA UFSC ... 53
3.2.1. Equipamentos ... 54
3.3. CLEMAR ENGENHARIA ... 59
3.3.1. Equipamentos ... 60
4.2. TRABALHOS FUTUROS ... 68
1. INTRODUÇÃO
1.1. TEMA
Com um grande potencial para o desenvolvimento do setor de energia solar fotovoltaica (FV), o Brasil recebe diariamente uma quantidade considerável de níveis de radiação e, durante boa parte do ano, possui uma grande quantidade de dias ensolarados. Porém, o território brasileiro é muito exposto a eventos com descargas atmosféricas. De acordo com o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), com média de aproximadamente 77,8 milhões de descargas atmosféricas anual.
Levando em consideração o elevado índice de incidência de descargas atmosféricas que se verifica no país, a proteção contra raios e surtos de tensão é essencial para salvaguardar a integridade dos componentes FV e a continuidade de serviços das instalações geradoras. Os fabricantes de módulos FV garantem que em 20 a 25 anos, os módulos ainda possuem cerca de 80% da sua capacidade inicial de geração. Portanto, neste período, o sistema deve operar sem problemas.
O índice de risco de descargas atmosféricas diretas e indiretas sobre um sistema FV aumenta devido à localização exposta e a área ocupada, podendo originar fenômenos de sobretensão tanto na entrada de corrente continua (DC) como na saída de corrente alternada (AC) da instalação, reduzindo sua vida útil ou causar danos irrecuperáveis.
Uma matriz geradora de energia elétrica desta natureza possui um valor econômico bastante considerável e sua vida útil deve ser medida em décadas para se obter um retorno sobre o investimento. A fim de fornecer um sistema FV com operação livre de problemas durante toda a sua vida útil, deve ser implementada uma proteção abrangente e eficaz contra impactos diretos de descargas atmosféricas, sobretensões atmosféricas e induzidas ainda na fase de projeto.
1.2. PROBLEMA
As descargas atmosféricas que atingem os módulos FV acarretam danos pelos efeitos destrutivos de uma incidência direta e devido ao acoplamento indutivo ou capacitivo de tensão causado pelo campo eletromagnético. Além disso, os picos
de tensão resultantes de operações de comutação no sistema de corrente alternada pode causar danos aos módulos FV, inversores de frequência, controladores de carga e aos seus sistemas de monitoramento e de comunicação.
Para uma correta análise de risco é essencial levar em consideração o índice cerâunico (parâmetro que indica o número de dias de trovoadas por ano em uma determinada localidade) da zona de instalação e o risco de sobretensões:
Quanto maior for a extensão da área ocupada por módulos FV, maior será o risco de um impacto direto de descargas atmosféricas;
São graves os danos no inversor causados diretamente por um raio ou indiretamente por sobretensões;
Acoplamento e desacoplamento de cargas da rede, e descargas eletroestáticas também podem causar sobretensões.
1.3. JUSTIFICATIVA
Os prejuízos econômicos causados por descargas atmosféricas em um sistema FV levam a custos de substituição, manutenção e perda de rendimento. Também causa envelhecimento prematuro de componentes eletrônicos dos circuitos de entrada e de saída de sistemas de dados, o que leva a um aumento dos custos de manutenção.
Como solução, faz-se necessário proteger os sistemas FV e seus componentes eletrônicos (inversor, sistema de diagnóstico remoto, linha principal geradora) tanto de danos causados por um impacto direto de um raio, quanto contra os efeitos dos impulsos eletromagnéticos da descarga atmosférica. Desta forma, utilizando os protetores apropriados é possível mitigar os riscos de queima e danos, protegendo, assim, o investimento realizado no sistema FV.
1.4. OBJETIVOS
1.4.1. Objetivo geral
O objetivo geral proposto neste trabalho é apresentar os problemas relacionados aos impactos das descargas atmosféricas diretas e indiretas sobre
sistemas FV, bem como as várias possibilidades de ações para proteção destes sistemas contra estes efeitos.
1.4.2. Objetivos específicos
Os objetivos específicos propostos neste trabalho são:
Fornecer informações dos efeitos das descargas atmosféricas sobre a instalação de uma matriz FV;
Apresentar as atuais especificações técnicas, bem como as normas e regulamentos que abordam esse tema;
Fornecer referências e diretrizes para a instalação de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas em matrizes FV;
Especificar os principais requisitos e métodos adotados para o dimensionamento de dispositivos de proteção contra surtos (DPS) e sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA).
1.5. DELIMITAÇÕES
Não será desenvolvido um projeto com especificações de equipamentos para proteção de sistema FV.
Os estudos são restritos a sistemas FV em edificações e não serão realizados estudos em relação às instalações de Usinas Solares Fotovoltaicas (USF).
1.6. METODOLOGIA DA PESQUISA
Este trabalho consiste em pesquisas bibliográficas, pois busca conhecimentos em livros, artigos ou fontes confiáveis, procurando obter o conteúdo necessário para fundamentação teórica.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este capítulo apresenta a base teórica dos temas abordados no campo de expectativa do objetivo do trabalho, bem como os principais conceitos e elementos utilizados para subsidiar esse estudo.
2.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Conforme Pinto e Galdino (2014), os sistemas de energia solar FV convertem a energia proveniente da radiação solar que atinge as células de um módulo FV em energia elétrica.
Segundo Souza (2016, p. 14) “Um sistema fotovoltaico é uma fonte de potência elétrica, na qual as células fotovoltaicas transformam a Radiação Solar diretamente em energia elétrica.”.
Os sistemas fotovoltaicos podem ser implantados em qualquer localidade que tenha radiação solar suficiente. Sistemas fotovoltaicos não utilizam combustíveis, não possuem partes móveis, e por serem dispositivos de estado sólido, requerem menor manutenção. Durante o seu funcionamento não produzem ruído acústico ou eletromagnético, e tampouco emitem gases tóxicos ou outro tipo de poluição ambiental. (SOUZA, 2016, p. 14).
A energia solar FV tem um caráter seguro, limpo e renovável. Seguro porque não utiliza meios que ponham em perigo a vida, limpo porque não polui o ambiente, isto é, não emite gases poluentes para a atmosfera durante processo de geração de energia elétrica e renovável porque a sua fonte de matéria-prima é o sol, uma fonte inesgotável de energia.
2.2. CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
De acordo com Pinto e Galdino (2014), os sistemas FV podem ser classificados em duas categorias principais: isolados e conectados à rede.
Estes dois tipos de sistemas de energia diferem quanto aos requisitos a satisfazer e, em consequência, quanto ao tipo de componentes que os integram.
2.2.1. Sistemas isolados (off-grid)
Segundo Souza (2016), são aqueles sistemas autônomos, não conectados à rede de distribuição de energia elétrica que, em geral, necessitam de algum de tipo de armazenamento. Este armazenamento pode ser através de baterias. As baterias também têm a funcionalidade de servir de referência de tensão (DC) para os inversores formadores da rede do sistema isolado.
Normalmente, esse tipo de sistema apresenta um bom funcionamento operacional, desde que haja radiação solar suficiente durante o dia para recarregar as baterias para uso durante a noite, dias nublados ou em dias úmidos e chuvosos.
Geralmente são usados em áreas remotas e/ou rurais, justificado pelo fato das cargas elétricas estarem longe das redes de distribuição das concessionárias, tornando muito alto o custo de estender uma linha de energia exclusiva para atendimento destas cargas.
Figura 1 - Sistema isolado (off-grid)
Fonte: International Energy Solutions, 2018.
2.2.1.1. Vantagens e desvantagens dos sistemas off-grid
A principal vantagem dos sistemas FV off-grid é que podem fornecer eletricidade a lugares remotos onde a rede da concessionária não está disponível ou distante.
As principais desvantagens dos sistemas off-grid são:
Custo elevado: esses sistemas são bastante caros. Os módulos FV contribuem com uma boa porcentagem do custo total. Além disso, necessitam de baterias específicas que também acabam encarecendo o sistema.
Manutenção frequente: as baterias precisam funcionar adequadamente, o que envolve principalmente a adição de água destilada caso sejam do tipo chumbo-ácido, as quais são aplicadas em muitos casos. Embora as baterias de chumbo-ácido tenham sofrido processos de avanço tecnológicos e não necessitem de recarga frequente, ainda se faz necessário realizar esta manutenção. Além disso, as baterias também emitem gases tóxicos.
2.2.2. Sistemas conectados à rede (on-grid)
De acordo com Souza (2016), a potência gerada pelo sistema é entregue diretamente à rede elétrica. É indispensável que se utilize um inversor que satisfaça as exigências de qualidade e segurança, para que não degrade a qualidade do sistema elétrico ao qual se interliga o gerador FV. Ou seja, os inversores terão, além da função básica de converter a corrente DC em corrente AC, a função de sincronizar o sistema com a rede pública.
Figura 2 - Sistema conectado à rede (on-grid)
2.2.2.1. Vantagens e desvantagens dos sistemas on-grid
As principais vantagens dos sistemas on-grid são:
Se o sistema gerar mais energia do que a consumida, o excesso é injetado à rede elétrica da concessionária. Isso irá gerar créditos, que podem resultar em redução na conta mensal de energia;
Instalação mais simples que os sistemas off-grid, pois não possuem baterias; Custos operacionais e de manutenção relativamente baixos, pois não
possuem baterias;
Por não ter que carregar e manter baterias, esses sistemas são mais eficientes do que os sistemas off-grid.
A desvantagem, em comparação com os sistemas off-grid, é que necessita de acesso à rede da concessionária. Também requer um inversor apropriado.
Pode-se também utilizar baterias para sistemas fotovoltaicos conectados à rede para operação ilhada do sistema de geração no caso de falta da energia da rede elétrica. Sistemas assim são encontrados na Europa e nos EUA. No Brasil, para o caso de micro e minigeração, regulamentado pela RN Aneel Nº 482/2012 (ANEEL, 212b) não há regulamentação prevendo este tipo de operação e as distribuidoras de energia não aceitam, exigindo, inclusive, proteção para desligamento da geração em casos de ilhamento. (PINTO; GALDINO, 2014, p. 163).
De acordo com Marchesan (2016), o fenômeno do ilhamento é uma situação em que numa determinada seção da rede elétrica a demanda de potência é igual à geração FV e um (ou mais) sistemas on-grid permanecem em operação e alimentando a carga quando há a falta de energia elétrica na rede da concessionária, proporcionando a deterioração da qualidade de energia, risco de vida às equipes de manutenção, bem como problemas na proteção do sistema de distribuição ilhado.
2.3. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Segundo Kindermann (2009), descargas atmosféricas são descargas elétricas de grande extensão e de grande intensidade que ocorrem devido ao acúmulo de cargas elétricas em regiões localizadas da atmosfera, em geral dentro de tempestades.
Descarga atmosférica, de acordo com Filho (2005, p. 18) “trata-se de um fenômeno complexo, que se expressa através do fluxo de uma corrente impulsiva de alta intensidade e curta duração, cujo percurso de alguns quilômetros parte da nuvem e, em alguns casos, atinge a superfície da Terra”.
Conforme o ELAT (2018), o raio (descarga atmosférica) geralmente é associado a nuvens cumulonimbus (nuvens com grande extensão vertical), mas também ocorre em nuvens estratiformes (nuvens em camadas com grande extensão horizontal), em tempestades de neve, tempestades de areia, a partir de nuvens provenientes de grandes incêndios e às vezes em poeira e gases emitidos por vulcões em erupção. Durante uma tempestade, o raio pode ocorrer dentro da nuvem, entre as nuvens, entre a nuvem e o ar, ou entre a nuvem e o solo.
Quando regiões de excesso de cargas positivas e negativas se desenvolvem dentro da nuvem, origina-se o raio. Normalmente, em nuvens cumulonimbus, há um grande volume de cargas positivas nas regiões superiores, uma grande quantidade de cargas negativas no centro e um pequeno volume de cargas positivas nas regiões inferiores.
Figura 3 - Tipos de descargas atmosféricas
Fonte: Encyclopaedia Britannica, 1999.
Ainda de acordo com o ELAT (2018), os raios se originam da quebra de rigidez dielétrica do ar. Ocorre quando o campo elétrico é suficiente para ionizar os átomos do ar e acelerar os elétrons a ponto de produzir uma descarga.
O raio nuvem-solo transporta carga elétrica média de 10 C e tensão ao longo do canal em torno de 1 108 V, sendo assim a energia elétrica total é de 1 10 J, ou seja, aproximadamente 300 kWh. Máximo valor registrado para o pico de corrente de raio solo-nuvem é em torno de 30 kA.
Mais de 95% da energia do raio é gasta na expansão do ar nos primeiros metros ao redor do canal. Do restante, 1% é convertido em energia térmica, 1% em energia acústica e cerca de 2% em energia eletromagnética. Portanto, cerca de 1% da energia total do raio atinge o solo.
Figura 4 - Atividade global de descargas atmosféricas de 1995 a 2013
Fonte: NASA Earth Observatory, 2015.
Tabela 1 - Ranking dos 10 municípios brasileiros com maiores densidades de raios por km²/ano
Ranking Município UF Densidade
por km²/ano
1º Porto Real RJ 19,66 2º Barra do Piraí RJ 18,09
3º Valença RJ 17,31
4º Rio das Flores RJ 17,11 5º Juiz de Fora MG 17,03 6º Belmiro Braga MG 16,74 7º Matias Barbosa MG 16,63 8º Rio Preto MG 16,60 9º Piau MG 16,34 10º Forquetinha RS 16,13
Tabela 2 - Ranking dos 10 municípios catarinenses com maiores densidades de raios por km²/ano
Ranking Município UF Densidade
por km²/ano 1º Itapiranga SC 13,74 2º Guarujá do Sul SC 13,45 3º Palma Sola SC 13,15 4º Barra Bonita SC 13,13 5º Tunápolis SC 12,94 6º Nova Erechim SC 12,93 7º São João do Oeste SC 12,83 8º Flor do Sertão SC 12,48 9º União do Oeste SC 12,33
10º Belmonte SC 11,96
Fonte: Grupo de Eletricidade Atmosférica, 2016.
Segundo Shinkai (2017), as descargas atmosféricas são fenômenos naturais na maioria das vezes imprevisíveis e aleatórios. Devido sua magnitude e características elétricas, tem o poder de efeitos destruidores sobre estruturas, edificações e equipamentos, além de poderem causar sérias lesões e até a morte de pessoas e animais caso sejam submetidos aos efeitos das descargas atmosféricas, como:
Parada cardíaca: provocada pela passagem de corrente no tronco, que causa fibrilação ventricular;
Tensão de passo: é a tensão entre os pés do ser vivo, ou seja, um passo do mesmo (com os pés separados), num bípede isto raramente provoca a morte, pois a parcela de corrente é pequena (linhas equipotenciais próximas), já nos quadrúpedes geralmente é fatal (linhas equipotenciais distantes);
Tensão de toque: é a tensão provocada pelo toque no condutor durante uma descarga eletromagnética e geralmente é provocada pela alta impedância do condutor, provocando passagem de corrente pelo ser vivo que possui uma impedância menor que o condutor;
Descarga lateral: é provocado pela descarga do condutor ao ser vivo próximo pelo rompimento da resistência do ar provocada pela alta tensão na hora da descarga atmosférica;
Descarga direta: é o caso onde uma pessoa andando em campo aberto recebe diretamente o raio, neste caso ocorre queimaduras e passagem de corrente pelo coração e cérebro geralmente levando o ser vivo a morte.
Não existem meios práticos que impeçam a queda de descargas atmosféricas, no entanto podem ser utilizadas soluções de proteção para amenizar os efeitos maléficos dessas descargas.
2.4. MÉTODOS DE PROTEÇÃO PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
De acordo com a empresa DEHN (2018), os sistemas FV são considerados uma das melhores fontes de energia renovável em termos de custo de instalação, retorno do investimento, incentivo e benefício para os usuários finais. Devido às características particulares de um sistema FV a possibilidade de ser atingido por descargas atmosféricas é alta, pois normalmente o sistema é instalado ao ar livre.
Os impactos diretos de descargas atmosféricas nas redes de distribuição de energia não representam a maioria dos danos elétricos e eletrônicos causados nas instalações. A maior parte dos danos ocorre devido aos impactos próximos, geralmente dentro de algumas centenas de metros. De fato, por causa do Pulso Eletromagnético (PEM) associado à magnitude do impacto, os campos estáticos e elétricos que ocorrem, causam a maior parte dos danos em equipamentos elétricos e eletrônicos desprotegidos.
Assim, ao contrário do que se possa imaginar, os módulos FV em si não são os mais afetados, mas sim os inversores e controladores. Os bancos de baterias na maioria dos sistemas FV off-grid atuam de forma razoável como um supressor de surto, mas isso pode danificar o controlador de cargas.
A fim de evitar falhas e danos aos equipamentos que levem a efeitos severos, é fortemente recomendado o uso de proteção contra raios em instalações FV. Assim sendo, devem ser avaliados em projeto os riscos e eventual necessidade de proteção contra descargas atmosféricas, pois são os meios essenciais de evitar danos aos sistemas.
O dimensionamento correto e a utilização adequada de dispositivos de proteção contribuem para a minimização ou até mesmo a eliminação de falhas. Além
dos dispositivos de proteção integrados aos equipamentos, a instalação de outros dispositivos de proteção externos deve ser prevista, como DPS e SPDA.
2.4.1. Sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA)
Segundo a DEHN (2018), o propósito do SPDA é direcionar e dissipar as descargas atmosféricas para a terra, salvaguardando a integridade de uma estrutura e protegendo as pessoas em relação aos efeitos térmicos, mecânicos e elétricos associados a essas descargas.
A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) publicou no dia 22/05/2015 as mais atualizadas Normas Técnicas de Proteção contra Descargas Atmosféricas, ABNT NBR 5419:2015 em 4 partes:
ABNT NBR 5419-1:2015 - Proteção contra descargas atmosféricas - Parte 1: Princípios gerais.
Esta Parte da ABNT NBR 5419 estabelece os requisitos para a determinação de proteção contra descargas atmosféricas.
Esta Parte da ABNT NBR 5419 fornece subsídios para o uso em projetos de proteção contra descargas atmosféricas. (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2015, p. 1).
ABNT NBR 5419-2:2015 - Proteção contra descargas atmosféricas - Parte 2: Gerenciamento de risco.
Esta Parte da ABNT NBR 5419 estabelece os requisitos para análise de risco em uma estrutura devido às descargas atmosféricas para a terra. Esta Parte da ABNT NBR 5419 tem o propósito de fornecer um procedimento para a avaliação de tais riscos. Uma vez que um limite superior tolerável para o risco foi escolhido, este procedimento permite a escolha das medidas de proteção apropriadas a serem adotadas para reduzir o risco ao limite ou abaixo do limite tolerável. (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2015, p. 1).
ABNT NBR 5419-3:2015 - Proteção contra descargas atmosféricas - Parte 3: Danos físicos a estruturas e perigos à vida.
Esta Parte da ABNT NBR 5419 estabelece os requisitos para proteção de uma estrutura contra danos físicos por meio de um SPDA - Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas - e para proteção de seres vivos contra lesões causadas pelas tensões de toque e passo nas vizinhanças de um SPDA. (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2015, p. 1).
ABNT NBR 5419-4:2015 - Proteção contra descargas atmosféricas - Parte 4: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura.
Esta Parte da ABNT NBR 5419 fornece informações para o projeto, instalação, inspeção, manutenção e ensaio de sistemas de proteção elétricos e eletrônicos (Medidas de Proteção contra Surtos - MPS) para reduzir o risco de danos permanentes internos à estrutura devido aos impulsos eletromagnéticos de descargas atmosféricas (LEMP). (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2015, p. 1).
As normas da ABNT NBR 5419:2015 - Partes de 1 a 4, buscam fixar os requisitos de análise de risco além das condições de projeto, instalação e manutenção de SPDA, para proteção de edificações e estruturas contra a incidência direta de raios sobre os equipamentos e pessoas no interior dessas edificações e estruturas, ou no interior da proteção imposta pelo SPDA instalado.
De acordo com o ELAT (2018), os principais componentes de um SPDA, são:
Sistema de captação; Condutores de descida; Terminais de aterramento;
Condutores de ligação equipotencial.
Ainda segundo o ELAT (2018), para-raios são definidos como terminais aéreos metálicos. São hastes condutoras rígidas montadas em uma base com o objetivo de capturar as descargas atmosféricas. As instalações devem ser feitas nos pontos mais altos das estruturas. Geralmente, estas hastes são interligadas através
de condutores horizontais. Os condutores de descida são cabos que conectam os terminais aéreos aos terminais de aterramento.
O sistema de aterramento, ou a conexão intencional de estruturas ou instalações com a terra, tem o propósito de estabelecer um caminho preferencial para o fluxo de correntes elétricas de surto, falta ou fuga, desta forma preservando a integridade do sistema e evitando riscos para as pessoas. Normalmente são condutores de cobre ou revestidos com cobre enterrados no solo. As características do solo estão entre os fatores que determinam o nível de aterramento.
2.4.2. Dispositivo de proteção contra surtos (DPS)
Segundo a empresa Schneider Electric (2018), o DPS destina-se a limitar as sobretensões transitórias e/ou a desviar a corrente de surto. Contém pelo menos um componente não-linear. Nos termos mais simples, os DPSs destinam-se a limitar as sobretensões transitórias com o objetivo de evitar danos aos equipamentos e tempo de inatividade destes quando atingidos por picos de voltagem transitórios.
Conforme a norma ABNT NBR IEC 61643-1:2007, abaixo estão especificadas as três classes de DPSs conectados a sistemas de energia de baixa tensão:
Classe I: permitem reduzir os efeitos diretos causados pelas descargas atmosféricas.
O DPS classe I é instalado obrigatoriamente quando a edificação está protegida por um SPDA. Os ensaios do DPS classe I são realizados com uma corrente de choque impulsional (limp) de forma de onda 10/350 μs. Ele deve
ser instalado com um dispositivo de desconexão a montante (tipo disjuntor), cuja capacidade de interrupção deve ser no mínimo igual à corrente máxima de curto-circuito presumida no ponto da instalação;
Classe II: são destinados a proteger os equipamentos elétricos contra sobretensões induzidas ou conduzidas (efeitos indiretos) causados pelas descargas atmosféricas. Os ensaios do DPS classe II são efetuados com corrente máxima de descarga (Imáx) de forma de onda 8/20 μs. Ele pode ser
classe II, também deve ser instalado com um dispositivo de desconexão a montante (tipo disjuntor), cuja capacidade de interrupção deve ser no mínimo igual à corrente máxima de curto-circuito presumida no local da instalação;
Classe III: são destinados à proteção fina de equipamentos situados a mais de 30 m do DPS de cabeceira (normalmente instalado no quadro de distribuição de circuitos). O DPS classe III é testado com uma forma de onda de corrente combinada 1,2/50 μs e 8/20 μs.
A revista FotoVolt apresenta um breve resumo (2018, p. 12) referente a utilização de DPSs para proteção de sistemas FV:
Dispositivos de proteção contra surtos (DPS) protegem componentes valiosos contra eventos imprevisíveis. Para cada tipo de gerador FV - instalado no telhado, isolado da rede, ou usina solar fotovoltaica (USF) - deve ser elaborado um projeto especifico de proteção contra raios e surtos. Essa proteção abrange as instalações de corrente continua e alternada, além das redes de sinal.
2.4.3. Proteção contra raios e surtos em sistemas FV em edificações
Em conformidade com a revista FotoVolt (2016), os métodos de proteção para sistemas FV, em função de suas características, necessitam de requisitos complementares ou particulares, os quais não estão detalhados em normas técnicas brasileiras. Devido ao aumento da participação da geração solar na matriz energética brasileira, são grandes os esforços realizados no âmbito do comitê brasileiro de eletricidade da ABNT para suprir o mercado com uma normalização adequada.
Em março de 2018, foi elaborado pela Comissão de Estudo de Instalações Elétricas de Baixa Tensão do Comitê Brasileiro de Eletricidade o Projeto ABNT NBR 16690: Instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos - Requisitos de projeto. Este projeto está sob consulta nacional, ou seja, ainda não é um documento normativo e tem apenas a incumbência de permitir uma consulta prévia ao assunto tratado.
Esta Norma estabelece os requisitos de projeto das instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos, incluindo disposições sobre os condutores, dispositivos de proteção elétrica, dispositivos de manobra, aterramento e equipotencialização do arranjo fotovoltaico. [...]. (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2018, p. 1).
Enquanto o projeto que contém requisitos particulares para proteção de sistemas FV estiver sob consulta nacional, a solução é utilizar normas internacionais, que são as bases da futura norma brasileira. Assim, os métodos de proteção que são apresentados neste trabalho tiveram como base as normas internacionais em paralelo com análises comparativas com as correspondentes normas brasileiras.
De acordo com a DEHN (2018), módulos FV não aumentam o risco da edificação ser atingida por raios o que significa que a necessidade de proteção não pode ser definida em função dos mesmos. Os riscos de danos causados por raios devem ser avaliados em conformidade com a norma IEC 62305-2:2010 (no âmbito da ABNT, vale a NBR 5419-2:2015). O escopo desta norma (2010, p. 10) diz o seguinte:
This part of IEC 62305 is applicable to risk assessment for a structure due to lightning flashes to earth.
Its purpose is to provide a procedure for the evaluation of such a risk. Once an upper tolerable limit for the risk has been selected, this procedure allows the selection of appropriate protection measures to be adopted to reduce the risk to or below the tolerable limit.
A DEHN (2018) sugere, que as medidas de proteções externas e internas, contra raios, em estruturas com sistemas FV, devem ser regidas de acordo com norma IEC 62305-3:2010 (no âmbito da ABNT, vale a NBR 5419-3:2015). O escopo desta norma (2010, p. 11) diz o seguinte:
This part of IEC 62305 provides the requirements for protection of a structure against physical damage by means of a lightning protection system (LPS), and for protection against injury to living beings due to touch and step voltages in the vicinity of an LPS [...].
A norma internacional IEC 60364-7-712:2017 fornece informações sobre os requisitos de segurança de projeto decorrentes das características particulares das instalações FV.
This part of IEC 60364 applies to the electrical installation of PV systems intended to supply all or part of an installation.
The equipment of a PV installation, like any other item of equipment, is dealt with only so far as its selection and application in the installation is concerned. (INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION, 2017, p. 8).
O atendimento da norma ABNT NBR 5410:2004 é de grande valia para a segurança de um projeto e instalação de sistemas FV, tanto nos circuitos do gerador quanto nos circuitos de aplicação.
A subseção 4.2.6 da NBR 5410 (2004, p.19) “estabelece uma classificação e uma codificação das influências externas que devem ser consideradas na concepção e na execução das instalações elétricas. [...]”.
Tabela 3 - Descargas atmosféricas Código
Classificação (Influências
externas)
Características Aplicações e exemplos
Características exigidas para seleção e instalação dos
componentes
AQ1 Desprezíveis ≤ 25 dias por ano ─ Normal
AQ2 Indiretas
> 25 dias por ano Riscos provenientes da
rede de alimentação
Instalações alimentadas
por redes aéreas Ver 5.4.2 e 6.3.5
AQ3 Diretas Riscos provenientes da exposição dos componentes da instalação Partes da instalação situadas no exterior das
edificações
Ver 5.4.2 e 6.3.5 Quando aplicável, a proteção contra descargas atmosféricas
deve ser conforme ABNT NBR 5419
Nota: a palavra “normal” que aparece na quarta coluna significa que um componente que atenda aos requisitos das normas técnicas aplicáveis, dentro das condições de funcionamento por elas definidas como normais, reúne as
características necessárias para operar satisfatoriamente sob as influências externas descritas. Fonte: Adaptado de (ABNT NBR 5410, 2004).
A subseção 5.4.2 da NBR 5410 (2004) apresenta medidas de proteção contra sobretensões transitórias que devem ser consideradas no projeto e operação das instalações. A origem das sobretensões transitórias se dá por meio das
descargas atmosféricas, descargas oriundas do acúmulo de eletricidade estática entre pontos diferentes da instalação e ocorrências de comutação1.
A subseção 6.3.5 da NBR 5410 (2004) para prover a proteção contra sobretensões transitórias nas instalações de edificações, trata da seleção e instalação de DPS, cobrindo tanto as linhas de energia quanto as linhas de sinal.
2.4.3.1. String boxes distintas para os lados AC e DC
Alguns itens são imprescindíveis nos sistemas FV. A string box (caixa de junção onde são alojados os dispositivos de proteção e/ou de seccionamento) é um deles e algumas empresas fabricam string boxes AC+DC com o provável objetivo de reduzir custos. No entanto, o uso de string boxes AC+DC não é aconselhável, pois na concepção de instalações elétricas uma das características que deve ser determinada é a exigência quanto à divisão da instalação. Essa exigência fica evidente na subseção 4.2.5.7 da NBR 5410.
Quando a instalação comportar mais de uma alimentação (rede pública, geração local, etc.), a distribuição associada especificamente a cada uma delas deve ser disposta separadamente e de forma claramente diferenciada das demais. Em particular, não se admite que componentes vinculados especificamente a uma determinada alimentação compartilhem, com elementos de outra alimentação, quadros de distribuição e linhas, incluindo as caixas dessas linhas, salvo as seguintes exceções:
a) circuitos de sinalização e comando, no interior de quadros;
b) conjuntos de manobra especialmente projetados para efetuar o intercâmbio das fontes de alimentação;
c) linhas abertas e nas quais os condutores de uma e de outra alimentação sejam adequadamente identificados. (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2004, p. 18-19).
1
Neste contexto, entende-se por ocorrências de comutação a execução de manobras (ex.: abertura de seccionadoras, chaves, disjuntores, elos fusíveis, etc.).
Pode-se ressaltar que há imprevisibilidade da NBR 5410 em relação aos sistemas FV no Brasil. No entanto, é necessário fazer uma análise de risco qualitativa.
A tensão em AC, para sistemas FV em uma residência, será normalmente 127/220 V ou 220/380 V. A tensão em DC, para um sistema conectado à rede pode chegar a 1.000 V.
É necessário observar que o hábito dos profissionais de instalações é desligar o disjuntor da fonte e trabalhar. Mas, desligar o disjuntor AC em um sistema FV conectado à rede não será desenergizado o lado DC. Ou seja, ao ser usado a string box AC+DC originou-se mais um ponto propício de acidentes.
2.4.3.2. DPS no lado DC do sistema FV
No Brasil, as especificações dos DPSs para o lado AC devem estar conforme recomendações da NBR IEC 61643-1:2007. Esta é a norma geral de DPSs comercializados por quase todas as lojas de materiais elétricos. O escopo desta norma (2007, p. 1) diz o seguinte:
Esta parte da ABNT NBR IEC 61643 é aplicável aos dispositivos para proteção de surto contra efeitos diretos e indiretos de descargas atmosféricas ou outras sobretensões transitórias. Estes dispositivos são montados para serem conectados a circuitos de 50/60 Hz c.a. ou c.c., e equipamentos de tensão nominal eficaz (r.m.s.) até 1000 V ou 1500 V c.c [...].
De acordo com a citação acima, os DPSs ensaiados também funcionam para circuitos de corrente contínua. Porém, há uma particularidade no sistema FV que o diferencia de uma fonte contínua convencional, num módulo FV a corrente de curto-circuito sc é muito baixa, aproximadamente 5% maior que a corrente de
Gráfico 1 - Curvas (I versus V e P versus V) características de um módulo fotovoltaico submetido a uma determinada irradiação e temperatura
Fonte: SolarPro, 2011.
sc= Corrente de curto-circuito mp= Máxima corrente de potência
oc= Tensão de circuito aberto mp= Máxima tensão de potência mp= Ponto de máxima potência
Segundo a revista Lumière Electric (2017), a baixa corrente de curto-circuito sc pode não ser suficiente para causar a atuação da proteção de retaguarda para o DPS (disjuntor ou fusível) regido pela NBR IEC 61643-1, o que poderia causar incêndios na instalação elétrica. Após uma série de incêndios na Europa, principalmente na Alemanha, foram realizadas investigações e em meados de 2006 e 2007 concluíram que o DPS, fabricado conforme a norma IEC 61643-1 de 2005, era um possível foco de incêndio ao fim de sua vida útil.
Como já mencionado, a NBR IEC 61643-1 baseia-se na revisão de 2005 da IEC 61643-1. Isto gera um ponto preocupante, pois essa norma IEC foi substituída pela IEC 61643-11 em 09/03/2011, e a norma ABNT se baseia ainda na revisão de 2005. O escopo da norma IEC 61643-11 (2011, p. 10) diz o seguinte:
This part of IEC 61643 is applicable to devices for surge protection against indirect and direct effects of lightning or other transient overvoltages. These devices are packaged to be connected to 50/60 Hz a.c. power circuits, and equipment rated up to 1000 V r.m.s. Performance characteristics, standard methods for testing and ratings are established. These devices contain at least one nonlinear component and are intended to limit surge voltages and divert surge currents.
Em 2013, foi publicada pelo European Committee for Electrotechnical Standardization a norma europeia EN 50539-11 voltada especificamente para corrente DC em sistemas FV, após se chegar ao consenso de que a IEC 61643-11 (e por consequência a IEC 61643-1), não oferece as condições de segurança necessárias. O escopo da norma EN 50539-11 diz o seguinte:
This European Standard defines the requirements and tests for SPDs intended to be installed on the d.c. side of photovoltaic installations to protect against induced and direct lightning effects. These devices are connected to d.c. power circuits of photovoltaic generators, rated up to 1500
V. (EUROPEAN COMMITTEE FOR ELECTROTECHNICAL
STANDARDIZATION, 2013, p. 6).
Uma das exigências da EN 50539-11 (2013) é a realização de desconexão do DPS através de um fusível interno, dentro do mesmo dispositivo, conectado em paralelo com o varistor, isolando o varistor do circuito através de uma comutação automática em caso de falha.
Figura 5 - Fases de comutação do DPS com conexão paralela de varistor + fusível
Fonte: DEHN, 2015.
Outra exigência é a conexão dos DPSs na topologia Y, pois esta conexão coloca dois DPSs em série, aumentando a impedância do sistema e a resistência contra eventual falha de isolação de um dos polos do sistema FV. Ou seja, a ligação dos DPSs em série permite que a corrente de fuga da ordem de μA seja menor.
Figura 6 - Conexão dos DPSs na topologia Y
Figura 7 - Diagrama de instalação FV com DPSs regidos pelas determinadas normas
Fonte: Adaptado de (Verband Deutscher Blitzschutzfirmen e.V., 2014).
1 - DPS AC, conforme IEC 61643-11 2 - DPS AC, conforme IEC 61643-11 3 - DPS DC, conforme EN 50539-11 4 - DPS DC, conforme EN 50539-11
* Neste caso, se a distância entre o DPS na entrada DC do inversor e o sistema FV
for superior a 10 m, é necessário um DPS adicional instalado próximo aos módulos. O mesmo critério vale para o lado CA, se a distância entre o DPS na saída AC do inversor e a entrada de energia da rede for superior a 10 m, é necessário um DPS adicional próximo a saída AC do inversor.
2.4.3.3. Seleção de DPSs para a proteção em sistemas FV em edificações
A norma do European Committee for Electrotechnical Standardization CLC/TS 50539-12 de 2013, promove os princípios para seleção, localização, coordenação e operação de DPSs a serem conectados nas instalações FV. No entanto, deve-se observar que esta norma só se aplica para o lado DC dos sistemas FV no Brasil, pois a frequência da rede de alimentação padrão é de 60 Hz.
This Technical Specification describes the principles for selection, location, coordination and operation of SPDs to be connected to PV installations. The
d.c. side is rated up to 1500 Vd.c. and the a.c. side, if any, is rated up to 1000 Vrms 50 Hz. (EUROPEAN COMMITTEE FOR ELECTROTECHNICAL
STANDARDIZATION, 2013, p. 6).
Neste trabalho, o suplemento 5 da norma alemã DIN EN 62305-3:2014 é apresentado como a norma/subsídio de informações adicionais para proteção contra raios em edifícios com sistemas de fornecimento de energia FV. Este suplemento descreve três aplicações diferentes para instalações FV em edificações:
Edificações com sistemas FV, sem proteção externa contra raios;
Edificações com sistemas FV, com proteção externa contra raios e distância de segurança (isolação elétrica) atendida;
Edificações com sistemas FV, com proteção externa contra raios e distância de segurança não atendida.
a) Edificações com sistemas FV, sem proteção externa contra raios.
Figura 8 - Situação A: proteção contra surtos para gerador FV em uma edificação sem SPDA externo
Fonte: DEHN, 2015.
1 - DPS classe II (entrada DC do inversor) 2 - DPS classe II (saída AC do inversor) 3 - DPS classe II (entrada de baixa tensão) 4 - DPS classe I (interface de dados) 5 - Aterramento funcional
DPSs devem ser instalados mesmo se não houver um SPDA externo. O suplemento 5 da EN 62305-3 recomenda a utilização de um DPS classe II no lado DC e outro no lado AC do inversor.
It is necessary to protect both the electrical components on the AC and DC side and any data interfaces. The protective devices should be installed as closely as possible to the device to be protected, e.g., inverter. If the line between the surge protective device and, e.g., the inverter is longer than 10
metres, an additional type 2 surge protective device is required. (DEHN PROTECTS PHOTOVOLTAIC SYSTEMS, 2018, p. 8).
Segundo a citação acima é fundamental a proteção tanto na entrada de corrente DC como na saída de corrente AC da instalação. Os DPSs devem ser instalados o mais próximo possível do dispositivo a ser protegido, por exemplo, o inversor.
b) Edificações com sistemas FV, com proteção externa contra raios e distância
de segurança atendida.
Geralmente uma instalação de sistema FV é executada em uma cobertura de edificação provida de um SPDA externo já existente. Caso os módulos FV não estejam localizados dentro do volume protegido pelo sistema de captação do SPDA, se torna obrigatória a instalação de captores adicionais para proteger as instalações FV contra descargas diretas.
A DEHN (2015) orienta que os métodos que devem ser utilizados para determinar o volume de proteção dos captores de um SPDA em um sistema FV, devem ser regidos de acordo com a IEC 62305-3 (no âmbito da ABNT, vale a NBR 5419-3). Os métodos aceitáveis são:
Método do ângulo de proteção; Método da esfera rolante.
Figura 9 - Método do ângulo de proteção versus método da esfera rolante
Para promover a proteção contra centelhamento2 de um sistema FV instalado na cobertura de uma edificação provida de um SPDA externo, uma determinada distância de segurança “s” deve ser mantida entre o sistema FV e o subsistema de captação que compõe o SPDA.
A norma IEC 62305-3 (no âmbito da ABNT, vale a NBR 5419-3) promove para o cálculo da distância de segurança a seguinte equação:
s i ( c
m) l onde d s (1)
s = distância de segurança
d = distância entre o sistema FV e o subsistema de captação que compõe o SPDA i = depende do nível de proteção escolhido para SPDA
c = depende da corrente de descarga atmosférica pelos condutores de descida m = depende do material isolante
l = é o comprimento expresso em metros (m), ao longo do subsistema de captação ou de descida, desde o ponto onde a distância de segurança deve ser considerada até a equipotencialização mais próxima
O local onde houver a menor distância entre o subsistema de captação que compõe o SPDA e a estrutura FV a ser protegida, é o ponto onde a distância de segurança deve ser considerada.
2
Centelhamento é a descarga elétrica, que ocorre entre duas partes condutoras, devido a uma descarga atmosférica que causa danos físicos à estrutura a ser protegida.
Figura 10 - Situação B: proteção contra surtos para gerador FV em uma edificação com SPDA externo. A distância de segurança é atendida
Fonte: DEHN, 2015.
1 - DPS classe II (entrada DC do inversor) 2 - DPS classe II (saída AC do inversor)
3 - DPS classe I + II (entrada de baixa tensão) 4 - DPS classe I (interface de dados)
5 - Aterramento funcional
6 - Sistema externo de proteção contra raios
De acordo com o suplemento 5 da EN 62305-3, deve ser preferido um SPDA que não tenha uma conexão direta com o sistema de alimentação FV, mantendo as distâncias de segurança “s” necessárias. Os módulos devem estar localizados no volume protegido pelo sistema de captação do SPDA.
A descarga atmosférica provocará uma parcela de corrente induzida e conduzida via linhas de energia elétrica, isso ocorrerá mesmo que a distância de segurança seja mantida entre os módulos do sistema FV e os componentes do SPDA.
c) Edificações com sistemas FV, com proteção externa contra raios e distância
de segurança não atendida.
Figura 11 - Situação C: proteção contra surtos para gerador FV em uma edificação com SPDA externo. A distância de segurança não é atendida
Fonte: DEHN, 2015.
1 - DPS classe I + II (entrada DC do inversor) 2 - DPS classe I + II (saída AC do inversor) 3 - DPS classe I + II (entrada de baixa tensão) 4 - DPS classe I (interface de dados)
5 - Aterramento funcional
6 - Sistema externo de proteção contra raios
Se a distância de segurança não puder ser mantida, recomenda-se estabelecer uma ligação equipotencial conectando a estrutura FV diretamente ao SPDA.
Nesta situação, os condutores de energia, tanto de corrente AC quanto de corrente DC, estarão em paralelo com os condutores de aterramento, portanto, sujeitos a receber uma parcela da corrente de descarga.
Figura 12 - Diagrama de fluxo para seleção das medidas de proteção de um sistema FV
Fonte: Adaptado de (revista FotoVolt, 2016).
A figura 12 corresponde à figura 1 da norma NBR 5419-2, com as inovações definidas do suplemento 5 da norma EN 62305-3.
Instalação de SPDA Análise de risco conforme IEC 62305-2
(no âmbito da ABNT, vale a NBR 5419-2)
3. ESTUDOS DE CASOS JÁ IMPLANTADOS
Neste capítulo são especificadas todas as informações coletadas durante as visitas técnicas realizadas para avaliação das proteções dos sistemas FV. Foram vistoriados os sistemas FV da Universidade do Sul de Santa Catarina (UNISUL - Pedra Branca), do Centro de Pesquisa e Capacitação em Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina (Laboratório Fotovoltaica UFSC) e também da empresa Clemar Engenharia Ltda (Clemar - UIP).
3.1. UNISUL - PEDRA BRANCA
A Universidade do Sul de Santa Catarina (UNISUL) é uma instituição educacional multicampi orientada para a produção, desenvolvimento e difusão do conhecimento por intermédio da pesquisa, do ensino e da extensão em todos os níveis e áreas de conhecimento, nas modalidades presencial e a distância.
Conta com três campi: Tubarão, Grande Florianópolis e UNISUL Virtual, e suas respectivas unidades universitárias: Imbituba, Içara, Araranguá, Braço do Norte, Pedra Branca e Florianópolis, além de mais de 100 polos de educação a distância.
Em junho de 2016 o Programa de Eficiência Energética das Centrais Elétricas de Santa Catarina S/A (PEE CELESC) investiu mais de meio milhão de reais na UNISUL - Pedra Branca. O recurso foi destinado ao projeto de redução da demanda na ponta e do consumo de energia elétrica através da substituição de lâmpadas fluorescentes tubulares por lâmpadas LED tubulares e da instalação de um sistema FV. O projeto de eficientização foi implantado nos blocos F, G e H.
Fotografia 1 - Sistema FV implantado nos blocos F e H da UNISUL - Pedra Branca
Fonte: Anderson Soares André, 2017.
Tabela 4 - Características do sistema FV da UNISUL - Pedra Branca
Bloco Tecnologia Quantidade
de módulos
Potência instalada
F Silício policristalino (p-Si) 80 24,80 kWp H Silício policristalino (p-Si) 40 12,40 kWp
Fonte: Elaboração do autor, 2018.
3.1.1. Equipamentos
a) Inversores Fronius modelo Symo 12.5-3-M e modelo Eco 27.0-3-S
Para a conversão da corrente DC em corrente AC do sistema FV da UNISUL - Pedra Branca, são utilizados dois inversores de frequência. Os inversores encontram-se no segundo pavimento na parte interna do bloco H e são responsáveis pela conversão DC/AC dos módulos instalados em cada bloco, ou seja, o inversor Fronius modelo Symo 12.5-3-M é responsável pelo bloco H e o inversor Fronius modelo Eco 27.0-3-S é responsável pelo bloco F.
Bloco H 12,40 kWp
(p-Si) Bloco F
24,80 kWp (p-Si)
Fotografia 2 - Inversores de frequência e string box dos sistemas FV instalados nas coberturas dos blocos F e H
Fonte: Elaboração do autor, 2018.
Instalada próxima aos dois inversores, encontra-se a string box para a proteção do lado DC de cada inversor. Durante a visita técnica foi possível obter acesso visual da parte interna da string box, com isso foi verificado que a mesma não está em conformidade com a subseção 4.2.5.7 da NBR 5410, pois observa-se existência de dispositivos de proteção para o lado AC no seu interior, junto dos dispositivos DC.
Fotografia 3 - String box para a proteção dos inversores
Fonte: Elaboração do autor, 2018.
A string box é composta por alguns dos principais componentes de proteção. A proteção no lado DC contém um conjunto de oito fusíveis padrão do tipo gPV (para aplicação em sistemas FV) que exercem a função de proteção de retaguarda e no inversor já está instalada a chave DC para a realização de seccionamento. Um ponto requer atenção, contém três DPSs monopolares classe II de acordo com a norma IEC 61643-1 (norma IEC de 2005) e cinco DPSs monopolares classe II de acordo com a norma IEC 61643-11 (norma IEC de 2011).
Para a proteção no lado AC é utilizado um conjunto de oito DPSs classe II de acordo com a norma IEC 61643-11. Instalado próximo aos dois inversores e a string box, encontra-se o quadro de distribuição de circuitos CD5 no qual estão contidos dois disjuntores AC que exercem a função de seccionamento. Durante a visita técnica foi possível obter acesso visual à parte interna do quadro de distribuição de circuitos CD5.
Quanto à instalação, com exceção da string box para a proteção do lado DC, está em conformidade com as normas NBR 5410 e IEC 60364-7-712.
Fotografia 4 - Quadro de distribuição de circuitos CD5
Fonte: Elaboração do autor, 2018.
b) SPDA
Verificou-se que já havia a existência do SPDA antes da instalação dos módulos FV nas coberturas dos blocos F e H da UNISUL - Pedra Branca. Durante a visita foi constatado que a distância de segurança entre as estruturas FV e o subsistema de captação que compõe o SPDA não estava sendo atendida.
Sempre que possível, recomenda-se que um SPDA não tenha uma conexão direta com o sistema de alimentação FV, mantendo as distâncias de segurança necessárias. No caso do sistema FV da UNISUL - Pedra Branca, como as distâncias de segurança não puderam ser mantidas, seria recomendado estabelecer uma ligação equipotencial conectando a estrutura FV diretamente ao SPDA. No entanto, tal ligação não foi executada.
Fotografia 5 - Distância de segurança não atendida entre as estruturas FV e o subsistema de captação do SPDA
Fonte: Elaboração do autor, 2018.
Não foi necessária a instalação de captores adicionais para proteger o sistema FV contra descargas diretas, pois os módulos FV estão localizados dentro do volume protegido pelo sistema de captação do SPDA já existente. O método da esfera rolante foi utilizado para determinar o volume de proteção dos captores do SPDA já existente nos blocos F e H.
d < s
Subsistema de captação
Figura 13 - Layout traseiro: método da esfera rolante utilizado para determinar o volume de proteção dos captores do SPDA
Fonte: Elaboração do autor, 2018.
Figura 14 - Layout lateral: método da esfera rolante utilizado para determinar o volume de proteção dos captores do SPDA
3.2. LABORATÓRIO FOTOVOLTAICA UFSC
O Centro de Pesquisa e Capacitação em Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina (Laboratório Fotovoltaica UFSC) desenvolve estudos nas diversas áreas de aplicação da energia solar no Brasil, com foco principal em sistemas FV integrados ao entorno construído e interligados à rede elétrica pública, os chamados Edifícios Solares FV.
O Laboratório Fotovoltaica UFSC possui quatro sistemas FV independentes: Sistema A (sobre a cobertura do bloco A), Sistema B (sobre a cobertura do bloco B), Sistema C (sobre a cobertura do estacionamento) e Sistema D (sobre o posto de recarga do ônibus elétrico). Também possui sistemas de solo destinados para estudos, análises e treinamentos.
Figura 15 - Laboratório Fotovoltaica UFSC
Fonte: Luz Solar, 2017.
Tabela 5 - Características dos sistemas FV do Laboratório Fotovoltaica UFSC
Sistema Tecnologia Quantidade
de módulos
Potência instalada
A Silício policristalino (p-Si) 270 66,15 kWp
B Silício microamorfo (μSi) 95 13,50 kWp
C Disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) 112 13,44 kWp
D Telureto de cádmio (CdTe) 25 2,44 kWp
Fonte: Elaboração do autor, 2018.
Bloco B 13,50 kWp (a-Si/μc-Si) Eletroposto 2,44 kWp (CdTe) Bloco A 66,15 kWp (p-Si) Estacionamento 13,44 kWp (CIGS) Sistemas de solo 10 kWp
3.2.1. Equipamentos
a) Inversor ABB modelo TRIO-20.0-TL-OUTD-S2X-400
Os inversores dos sistemas FV do bloco A, bloco B e do estacionamento encontram-se centralizados na parte interna do bloco A. Durante a visita técnica não foi possível obter acesso aos projetos elétricos das instalações dos sistemas FV, também ficou restrita a visualização interna da string box de cada inversor. No entanto, com os dados técnicos adquiridos referentes aos modelos dos inversores, foi possível acessar o manual do equipamento via website do fornecedor e consequentemente representar o diagrama ilustrativo da parte interna de cada string box.
Fotografia 6 - Inversores de frequência dos sistemas FV dos blocos A, B e estacionamento
Fonte: Elaboração do autor, 2018.
Instalada em conjunto a cada inversor, encontra-se a string box para a proteção do lado DC. Após a análise do diagrama no manual do equipamento, foi verificado que cada string box não está em conformidade com a subseção 4.2.5.7 da
NBR 5410, pois há a existência de dispositivos de proteção para o lado AC internamente.
Figura 16 - Diagrama inversor + string box modelo TRIO-20.0-TL-OUTD-S2X-400
Fonte: Adaptado de (ABB, 2015).
Figura 17 - String box do inversor TRIO-20.0-TL-OUTD-S2X-400
Composta pelos principais componentes de proteção, a string box contém um conjunto de fusíveis padrões do tipo gPV que exerce a função de proteção de retaguarda, contém dois DPSs classe II para a proteção no lado DC de acordo com a norma EN 50539-11.
Para a proteção no lado AC, contém um DPS classe II de acordo com a norma IEC 61643-11. Para exercer a função de seccionamento, possui uma chave de desconexão AC+DC.
Com exceção da string box AC+DC, as demais instalações estão de acordo com a norma NBR 5410 e a norma IEC 60364-7-712.
b) Inversor ABB modelo UNO-2.0-I-OUTD-S
Os inversores dos sistemas de solo encontram-se fixados nas estruturas metálicas onde estão instalados os módulos FV.
Fotografia 7 - Inversor de frequência dos sistemas FV de solo
Figura 18 - Diagrama inversor modelo UNO-2.0-I-OUTD-S
Fonte: Adaptado de (ABB, 2015).
Instaladas próximo aos inversores, encontram-se string boxes AC+DC. Internamente estão alojados os dispositivos de proteção tanto para o lado AC quanto para o lado DC. As string boxes não estão em conformidade com a subseção 4.2.5.7 da NBR 5410.
Fotografia 8 - String box para a proteção do inversor UNO-2.0-I-OUTD-S
Fonte: Elaboração do autor, 2018.
As string boxes dos sistemas de solo, também contêm os principais componentes de proteção. Para cumprir a função de proteção de retaguarda é
