Como integrar proteção contra surtos tanto no lado CA quanto no lado CC de um sistema fotovoltaico?

Integrar um dispositivo de Proteção contra Surto integrar um sistema fotovoltaico não é simplesmente uma questão de conectar um componente e seguir em frente. Isso exige uma abordagem deliberada, baseada em engenharia, que leve em conta as características elétricas únicas tanto do lado CA quanto do lado CC da instalação. Sobretensões induzidas por raios, sobretensões de manobra e distúrbios na rede elétrica podem introduzir picos de tensão destrutivos que se propagam pelo sistema, danificando inversores, caixas de combinação, equipamentos de monitoramento e até mesmo os próprios módulos fotovoltaicos. Sem a colocação adequada de dispositivos de proteção contra surtos em ambos os lados, um único evento transitório pode resultar em tempo de inatividade oneroso e na necessidade de substituição de equipamentos.

Este artigo aborda a lógica completa de integração para a implantação de dispositivos de proteção contra surtos tanto no lado da string CC e do arranjo quanto no lado da conexão à rede CA de um sistema fotovoltaico. Seja você projetando uma instalação comercial em telhado ou um projeto de grande escala em montagem no solo, compreender onde posicionar cada dispositivo de proteção contra surtos, como selecionar as especificações adequadas e como conectar e manter corretamente esses componentes é essencial para a confiabilidade a longo prazo do sistema. As orientações aqui baseiam-se na engenharia prática de campo e estão alinhadas às normas IEC 61643 e IEC 62305, que regulam a proteção contra surtos em ambientes fotovoltaicos.

Compreendendo os Riscos de Surtos em Sistemas Fotovoltaicos

Por Que os Sistemas Fotovoltaicos São Particularmente Vulneráveis

Os sistemas fotovoltaicos estão expostos continuamente ao ambiente externo, o que os torna inerentemente suscetíveis a descargas atmosféricas e raios. Os longos trechos de cabos entre os arranjos fotovoltaicos e os inversores atuam como antenas, capturando energia eletromagnética induzida por descargas atmosféricas próximas, mesmo quando não ocorre um impacto direto. Essa energia induzida propaga-se sob a forma de sobretensão transitória tanto nos cabos CC provenientes dos módulos quanto nos cabos CA em direção ao ponto de conexão à rede.

No lado CC, a tensão de circuito aberto de uma string fotovoltaica já pode ser de várias centenas de volts em condições padrão. Quando uma sobretensão transitória se sobrepõe a essa tensão de base, o pico combinado pode facilmente exceder a capacidade de suportar tensão das etapas de entrada dos inversores, dos diodos de derivação e caixa de junção componentes. No lado CA, eventos de comutação da rede, operações de bancos de capacitores e falhas da concessionária introduzem transientes de subida rápida que podem danificar a etapa de saída do inversor e quaisquer equipamentos de medição ou comunicação conectados.

Um dispositivo de proteção contra surtos adequadamente selecionado e instalado em cada lado intercepta esses transientes antes que eles atinjam os componentes eletrônicos sensíveis. O dispositivo limita a tensão a um nível seguro e desvia a corrente de surto para a terra, protegendo os equipamentos a jusante. Sem essa camada de proteção, até mesmo um transiente moderado pode degradar o isolamento, provocar desarmamentos indevidos ou causar falha imediata dos componentes.

A Natureza Bilateral da Exposição a Surtos em Sistemas FV

Um dos erros mais comuns no planejamento da proteção contra surtos em sistemas fotovoltaicos é considerar que o sistema possui apenas um ponto vulnerável. Na realidade, os surtos podem entrar por qualquer direção. Um evento de descarga atmosférica próximo ao arranjo injeta energia no lado CC, enquanto uma perturbação na rede elétrica ou a comutação de cargas industriais próximas injeta energia pelo lado CA. Ambos os caminhos devem ser protegidos de forma independente, com um dispositivo dedicado de proteção contra surtos em cada local.

O inversor situa-se entre esses dois lados e é o componente individual mais caro na maioria das instalações fotovoltaicas. É também o mais vulnerável, pois seus componentes eletrônicos de potência operam próximos aos seus limites de tensão durante o funcionamento normal. Um dispositivo de proteção contra surtos nos terminais de entrada CC do inversor e outro nos terminais de saída CA cria uma envoltória protetora em torno deste componente crítico. Essa abordagem de proteção bilateral não é opcional para sistemas instalados em zonas de alto risco de descargas atmosféricas ou para quaisquer instalações em que os custos associados à indisponibilidade sejam significativos.

Integração do Dispositivo de Proteção contra Surtos no Lado CC

Posicionamento na Caixa de Combinação de Strings

O primeiro e mais importante local para um dispositivo de proteção contra surtos no lado CC é na string caixa combinadora , também chamada de caixa de combinação CC ou caixa de junção do arranjo. É aqui que várias strings fotovoltaicas são reunidas antes que a saída CC combinada seja conduzida ao inversor. Posicionar um dispositivo de proteção contra surtos neste ponto intercepta os transientes no ponto mais inicial possível do circuito CC, impedindo que eles se propaguem mais adiante no sistema.

Para esta posição, o dispositivo de proteção contra surtos deve ser dimensionado para a tensão contínua máxima em circuito aberto do arranjo nas condições mais desfavoráveis de temperatura. Para sistemas operando em 1000 V CC, o dispositivo deve possuir uma classificação de proteção de tensão e uma tensão máxima de operação contínua que ultrapassem confortavelmente esse valor. As classificações comuns utilizadas em instalações fotovoltaicas em escala comercial e de geração centralizada incluem variantes de 1000 V CC e 1500 V CC, com classificações de corrente de impulso de 20 kA ou 40 kA, conforme a classificação da zona de proteção contra descargas atmosféricas do local.

O dispositivo de proteção contra surtos na caixa de combinação deve ser conectado entre cada polo CC e o condutor de terra de proteção. Em uma configuração de dois polos, isso significa um dispositivo entre o trilho positivo e a terra e outro entre o trilho negativo e a terra. Algumas instalações utilizam um dispositivo de três polos ou combinado que trata ambos os polos simultaneamente. A escolha depende da configuração de aterramento do sistema e do projeto específico do dispositivo de proteção contra surtos.

Posicionamento na entrada CC do inversor

Mesmo quando um dispositivo de proteção contra surtos é instalado na caixa de combinação, recomenda-se fortemente a instalação de um segundo dispositivo nos terminais de entrada CC do inversor em sistemas com cabos longos entre a caixa de combinação e o inversor. A indutância do cabo limita a eficácia com que um dispositivo remoto de proteção contra surtos consegue limitar uma sobretensão transitória de rápida elevação nos terminais do inversor. A tensão residual que aparece na entrada do inversor após a atuação do dispositivo instalado na caixa de combinação ainda pode ser suficientemente alta para sobrecarregar os capacitores de entrada e os módulos IGBT do inversor.

O dispositivo de proteção contra surtos na entrada CC do inversor atua como uma segunda linha de defesa, capturando qualquer energia transitória residual que não tenha sido totalmente absorvida pelo dispositivo a montante. Essa abordagem em cascata, às vezes denominada esquema de coordenação Tipo 1 mais Tipo 2, é uma prática-padrão em instalações fotovoltaicas bem projetadas. O dispositivo na entrada do inversor é tipicamente um dispositivo de proteção contra surtos Tipo 2, com uma classificação de corrente de descarga mais baixa, uma vez que o dispositivo a montante já absorveu a maior parte da energia do surto.

A conexão correta do dispositivo de proteção contra surtos no lado CC é fundamental. Os condutores de ligação entre o dispositivo e o barramento CC devem ser tão curtos quanto possível, idealmente com menos de 50 cm, para minimizar a queda de tensão indutiva que se soma à tensão de clamp observada pelo inversor. Utilizar o comprimento de condutor mais curto possível e evitar curvas desnecessárias na fiação de conexão são medidas práticas que melhoram significativamente a eficácia da instalação do dispositivo de proteção contra surtos.

Integração do Dispositivo de Proteção contra Surtos no Lado CA

Posicionamento na Saída CA do Inversor

No lado CA, a localização principal para um dispositivo de proteção contra surtos é na saída CA do inversor, normalmente no interior ou imediatamente adjacente ao painel de desconexão CA ou ao painel combinador. Essa posição protege o estágio de saída do inversor contra sobretensões provenientes da rede elétrica e também protege quaisquer equipamentos de monitoramento, medição ou comunicação conectados ao barramento CA nesse ponto.

O dispositivo de proteção contra surtos selecionado para o lado CA deve ter classificação adequada à tensão CA do sistema, que normalmente é de 230 V monofásico ou 400 V trifásico para a maioria das instalações fotovoltaicas comerciais e industriais. O dispositivo também deve ser compatível com a frequência da rede elétrica e deve possuir uma tensão máxima de operação contínua que leve em conta as flutuações normais da tensão da rede. Para sistemas trifásicos, é necessário um dispositivo de proteção contra surtos de três ou quatro polos, cobrindo todos os condutores de fase e o neutro.

A corrente de impulso nominal para o dispositivo de proteção contra surtos no lado CA deve ser selecionada com base na zona de proteção contra descargas atmosféricas e na distância da entrada principal de serviço. Um dispositivo de proteção contra surtos do Tipo 2 com classificação de 20 kA ou 40 kA é adequado para a maioria das aplicações de saída CA de sistemas fotovoltaicos. Quando a instalação estiver em uma zona de alto risco de descargas atmosféricas ou quando o percurso do cabo CA até o quadro de distribuição principal for longo, pode ser necessário um dispositivo do Tipo 1 com uma classificação mais elevada de corrente de impulso no nível do quadro de distribuição principal.

Posicionamento no Quadro de Distribuição CA Principal ou no Ponto de Acoplamento Comum

Para sistemas fotovoltaicos maiores que se conectam a um quadro de distribuição principal ou a um ponto de acoplamento comum com outras cargas, um dispositivo adicional de proteção contra surtos no nível do quadro de distribuição oferece proteção abrangente para todo o sistema. Esse dispositivo trata os surtos que entram pelo lado da rede elétrica e impede que atinjam não apenas o inversor, mas também outras cargas sensíveis conectadas ao mesmo quadro de distribuição.

A coordenação entre o dispositivo de proteção contra surtos na saída CA do inversor e o dispositivo no quadro principal segue a mesma lógica em cascata utilizada no lado CC. O dispositivo no nível do quadro principal, normalmente um dispositivo Tipo 1 ou combinado Tipo 1 e Tipo 2, trata o surto inicial de alta energia, enquanto o dispositivo no nível do inversor absorve a energia residual. Essa abordagem em camadas garante que nenhum dispositivo individual seja sobrecarregado e que a proteção permaneça eficaz em uma ampla faixa de magnitudes e formas de onda de surto.

Ao selecionar o dispositivo de proteção contra surtos para o quadro principal de distribuição, é importante verificar se o nível de proteção de tensão do dispositivo está coordenado com a tensão suportável a impulsos do inversor e de outros equipamentos conectados. O nível de proteção do dispositivo de proteção contra surtos deve ser inferior à tensão suportável do equipamento, para garantir que o dispositivo limite a sobretensão transitória antes que ela possa causar danos. Essa verificação de coordenação é uma etapa obrigatória em qualquer projeto profissional de proteção contra surtos em sistemas fotovoltaicos.

Práticas Recomendadas para Aterramento, Fiação e Instalação

O Papel de um Sistema de Aterramento de Baixa Impedância

Um dispositivo de proteção contra surtos só pode desempenhar sua função de forma eficaz se possuir um caminho de baixa impedância para a terra, através do qual possa desviar a corrente de surto. O sistema de aterramento da instalação fotovoltaica é, portanto, tão importante quanto o próprio dispositivo de proteção contra surtos. Uma conexão à terra com alta resistência ou mal interligada fará com que o dispositivo de proteção contra surtos desenvolva uma tensão elevada entre seus terminais durante a operação, reduzindo sua eficácia e, potencialmente, permitindo que tensões danosas atinjam os equipamentos protegidos.

Para instalações fotovoltaicas (PV), o sistema de aterramento deve incluir um eletrodo de terra dedicado no local do arranjo, conectado ao sistema estrutural de montagem e ao terminal de aterramento do dispositivo de proteção contra surtos do lado CC. O dispositivo de proteção contra surtos do lado CA deve ser conectado ao condutor principal de proteção contra terra do edifício ou instalação. Todas as conexões de terra devem utilizar condutores de dimensões adequadas, normalmente 6 mm² ou maiores para os condutores de aterramento dos dispositivos de proteção contra surtos, a fim de suportar a corrente de impulso sem queda de tensão excessiva.

A ligação equipotencial entre o aterramento CC, o aterramento CA e o aterramento estrutural do sistema de montagem fotovoltaica é essencial para evitar a elevação do potencial de terra durante um evento de surto. Quando diferentes partes do sistema apresentam potenciais de terra distintos durante uma sobretensão transitória, a diferença de tensão entre elas pode danificar os equipamentos, mesmo que cada dispositivo individual de proteção contra surtos esteja funcionando corretamente. Um sistema unificado de aterramento de baixa impedância elimina esse risco.

Monitoramento e Manutenção de Dispositivos Instalados

Um dispositivo de proteção contra surtos é um componente protetor descartável. Cada vez que absorve um evento de surto, ele consome parte de sua capacidade protetora. Após um grande evento de descarga atmosférica ou uma série de surtos menores, o dispositivo pode atingir o fim de sua vida útil e necessitar substituição. A maioria dos dispositivos modernos de proteção contra surtos produtos inclui um indicador visual de status, normalmente uma janela que muda de cor ou uma bandeira que cai, para sinalizar quando o dispositivo foi degradado e precisa ser substituído.

Incorporar verificações do status dos dispositivos de proteção contra surtos no cronograma regular de manutenção do sistema fotovoltaico é uma prática simples, mas frequentemente negligenciada. Uma inspeção visual trimestral de todos os dispositivos instalados, combinada com uma verificação pós-tempestade após qualquer atividade significativa de raios na região, garante que a proteção permaneça ativa. Alguns modelos avançados de dispositivos de proteção contra surtos incluem contatos de monitoramento remoto que podem ser conectados à plataforma SCADA ou de monitoramento do sistema, permitindo alertas automáticos quando um dispositivo precisar ser substituído.

A substituição de um dispositivo de proteção contra surtos degradado deve ser realizada prontamente. Operar um sistema fotovoltaico com um dispositivo de proteção contra surtos falhado, seja no lado CA ou CC, deixa o inversor e os equipamentos associados totalmente expostos ao próximo evento transitório. Considerando o custo relativamente baixo de um dispositivo de proteção contra surtos em comparação com o custo de substituição do inversor ou com a interrupção do sistema, a manutenção oportuna representa uma decisão econômica simples.

Seleção do Dispositivo Adequado de Proteção contra Surtos para Aplicações FV

Principais Parâmetros Elétricos a Avaliar

A seleção do dispositivo correto de proteção contra surtos para uma aplicação FV exige a avaliação de diversos parâmetros elétricos essenciais. A tensão máxima de operação contínua do dispositivo deve ser superior à tensão mais elevada que aparecerá nos seus terminais nas condições normais de operação, incluindo qualquer tolerância da tensão da rede. Para dispositivos no lado CC, isso significa levar em conta a tensão máxima de circuito aberto do arranjo fotovoltaico na temperatura ambiente mais baixa prevista, uma vez que a tensão do módulo fotovoltaico aumenta à medida que a temperatura diminui.

A corrente nominal de descarga e as classificações de corrente de impulso máximo determinam a quantidade de energia de surto que o dispositivo de proteção contra surtos pode suportar. Essas classificações devem ser compatíveis com a classificação da zona de proteção contra raios do local de instalação, a qual é determinada pela densidade local de descargas atmosféricas no solo e pelas características físicas da estrutura. Um dispositivo de proteção contra surtos com classificação de corrente de impulso de 40 kA oferece uma margem de segurança maior do que um dispositivo de 20 kA e é apropriado para locais expostos ou instalações de alto valor.

O nível de proteção contra sobretensão do dispositivo de proteção contra surtos, expresso em quilovolts, indica a tensão máxima que aparecerá nos terminais do dispositivo durante um ensaio padronizado de surto. Esse valor deve ser inferior à tensão suportável de impulso do equipamento a ser protegido. Para inversores fotovoltaicos (PV), a tensão suportável de impulso na entrada CC é normalmente especificada na folha de dados do produto, e o dispositivo de proteção contra surtos deve ser selecionado de modo que seu nível de proteção forneça uma margem adequada abaixo desse valor.

Normas de Conformidade e Requisitos de Certificação

Para aplicações em sistemas fotovoltaicos (PV), o dispositivo de proteção contra surtos deve estar em conformidade com a norma IEC 61643-11 para dispositivos no lado CA e com a norma IEC 61643-31 para dispositivos no lado CC. Essas normas definem os métodos de ensaio, os requisitos de desempenho e os requisitos de marcação para dispositivos de proteção contra surtos utilizados, respectivamente, em sistemas de energia de baixa tensão e em instalações fotovoltaicas. A conformidade com essas normas garante que o dispositivo tenha sido testado e verificado independentemente quanto ao seu desempenho conforme especificado, sob condições-padrão de surto.

Além da conformidade com as normas IEC, muitos mercados e especificações de projetos exigem a marcação CE e a certificação TÜV para dispositivos de proteção contra surtos utilizados em sistemas fotovoltaicos. Essas certificações fornecem uma garantia adicional de qualidade do produto e consistência na fabricação. Ao especificar um dispositivo de proteção contra surtos para um projeto fotovoltaico comercial ou em escala de usina, verificar se o produto possui as certificações adequadas para o mercado-alvo é uma etapa importante no processo de aquisição.

Alguns operadores de rede e provedores de seguros têm requisitos específicos para a instalação de dispositivos de proteção contra surtos em sistemas fotovoltaicos conectados à rede. A revisão desses requisitos no início do processo de projeto garante que o dispositivo de proteção contra surtos selecionado atenda a todos os padrões aplicáveis e que o método de instalação esteja em conformidade com os códigos elétricos locais. Instalações não conformes podem enfrentar problemas durante a aprovação da conexão à rede ou em reclamações de seguro após um evento de perda relacionado a surtos.

Perguntas Frequentes

Preciso de um dispositivo de proteção contra surtos tanto no lado CA quanto no lado CC do meu sistema fotovoltaico?

Sim. Sobretensões podem entrar em um sistema fotovoltaico de qualquer direção — do lado do arranjo durante eventos de descarga atmosférica ou do lado da rede elétrica durante transitórios de comutação. A instalação de um dispositivo de proteção contra sobretensões apenas em um dos lados deixa o inversor e os equipamentos associados expostos a transitórios provenientes do lado não protegido. Uma estratégia completa de proteção exige um dispositivo de proteção contra sobretensões no quadro de combinação CC ou na entrada CC do inversor e outro na saída CA do inversor ou no quadro principal de distribuição.

Qual classificação de tensão devo escolher para um dispositivo de proteção contra sobretensões no lado CC?

O dispositivo de proteção contra surtos deve ter uma tensão máxima contínua de operação que exceda a tensão máxima de circuito aberto do arranjo fotovoltaico nas condições de temperatura mais fria esperadas. Para sistemas projetados para operar em 1000 V CC, é necessário um dispositivo de proteção contra surtos classificado para 1000 V CC ou superior. Para sistemas de 1500 V CC, deve ser utilizado um dispositivo classificado para 1500 V CC. Ao selecionar a classificação do dispositivo, adicione sempre uma margem de segurança acima da tensão máxima calculada do arranjo.

Com que frequência devo inspecionar ou substituir um dispositivo de proteção contra surtos em uma instalação fotovoltaica?

Uma inspeção visual de todas as unidades de dispositivos de proteção contra surtos instalados deve ser realizada, no mínimo, trimestralmente e após qualquer atividade significativa de raios na região. A maioria dos dispositivos inclui um indicador de status que altera sua aparência quando o dispositivo sofreu degradação. Qualquer dispositivo de proteção contra surtos que exiba indicação de falha deve ser substituído imediatamente. Mesmo na ausência de degradação visível, dispositivos instalados em áreas com alta incidência de raios podem beneficiar-se de substituição a cada cinco a sete anos como medida preventiva.

Posso utilizar um dispositivo padrão de proteção contra surtos em corrente alternada (CA) no lado de corrente contínua (CC) de um sistema fotovoltaico?

Não. Os dispositivos padrão de proteção contra surtos CA não são adequados para aplicações CC. Os circuitos CC não possuem uma passagem natural da corrente por zero, o que significa que, assim que um dispositivo de proteção contra surtos começa a conduzir, ele deve interromper ativamente a corrente de seguimento para evitar um arco sustentado. Os dispositivos de proteção contra surtos classificados para CC são projetados especificamente com mecanismos de extinção de arco e classificações de componentes apropriadas para as características de tensão e corrente CC. Utilizar um dispositivo CA em um circuito CC cria um sério risco de incêndio e de segurança.