Dispositivos de proteção contra surtos DC para instalações fotovoltaicas
Painel solar PV Combiner Box DC Dispositivo de proteção contra sobretensão
Como os dispositivos de proteção contra surtos de corrente contínua para instalações fotovoltaicas devem ser projetados para fornecer exposição total à luz solar, eles são altamente vulneráveis aos efeitos dos raios. A capacidade de um painel fotovoltaico está diretamente relacionada à sua área de superfície exposta, portanto, o impacto potencial de eventos de raios aumenta com o tamanho do sistema. Onde as ocorrências de iluminação são frequentes, os sistemas fotovoltaicos desprotegidos podem sofrer danos repetidos e significativos aos componentes principais. Isso resulta em custos substanciais de reparo e substituição, tempo de inatividade do sistema e perda de receita. Dispositivos de proteção contra sobretensão (SPDs) projetados, especificados e instalados de maneira adequada minimizam o impacto potencial de eventos de raios quando usados em conjunto com sistemas de proteção contra raios projetados.
Um sistema de proteção contra raios que incorpora elementos básicos, como terminais de ar, condutores de descida adequados, ligação equipotencial para todos os componentes de transporte de corrente e princípios de aterramento adequados fornecem uma cobertura de proteção contra impactos diretos. Se houver alguma preocupação com o risco de raios em seu local PV, recomendo fortemente a contratação de um engenheiro elétrico profissional com experiência neste campo para fornecer um estudo de avaliação de risco e um projeto de sistema de proteção, se necessário.
É importante entender a diferença entre sistemas de proteção contra raios e SPDs. O objetivo de um sistema de proteção contra raios é canalizar um raio direto por meio de condutores transportadores de corrente substancial para a terra, evitando assim que estruturas e equipamentos fiquem no caminho dessa descarga ou sejam atingidos diretamente. Os SPDs são aplicados a sistemas elétricos para fornecer um caminho de descarga para a terra para evitar que os componentes desses sistemas sejam expostos a transientes de alta tensão causados pelos efeitos diretos ou indiretos de raios ou anomalias do sistema de energia. Mesmo com um sistema externo de proteção contra raios no local, sem SPDs, os efeitos dos raios ainda podem causar grandes danos aos componentes.
Para os fins deste artigo, presumo que haja alguma forma de proteção contra raios e examino os tipos, funções e benefícios do uso adicional de SPDs apropriados. Em conjunto com um sistema de proteção contra raios adequadamente projetado, o uso de SPDs em locais-chave do sistema protege os principais componentes, como inversores, módulos, equipamentos em caixas combinadoras e sistemas de medição, controle e comunicação.
A importância dos SPDs
Além das consequências de descargas atmosféricas diretas para as matrizes, o cabeamento de energia de interconexão é muito suscetível a transientes eletromagneticamente induzidos. Os transientes direta ou indiretamente causados por raios, bem como os transientes gerados pelas funções de comutação da concessionária, expõem o equipamento elétrico e eletrônico a sobretensões muito altas de duração muito curta (dezenas a centenas de microssegundos). A exposição a essas tensões transitórias pode causar uma falha catastrófica de componente que pode ser perceptível por danos mecânicos e rastreamento de carbono ou ser imperceptível, mas ainda pode causar uma falha de equipamento ou sistema.
A exposição de longo prazo a transientes de baixa magnitude deteriora o dielétrico e o material de isolamento no equipamento do sistema fotovoltaico até que haja um colapso final. Além disso, os transientes de tensão podem aparecer nos circuitos de medição, controle e comunicação. Esses transientes podem parecer sinais ou informações erradas, fazendo com que o equipamento funcione incorretamente ou desligue. O posicionamento estratégico dos SPDs mitiga esses problemas porque eles funcionam como dispositivos de curto ou de fixação.
Características Técnicas dos SPDs
A tecnologia SPD mais comum usada em aplicações fotovoltaicas é o varistor de óxido metálico (MOV), que funciona como um dispositivo de fixação de tensão. Outras tecnologias SPD incluem o diodo de avalanche de silício, centelhadores controlados e tubos de descarga de gás. Os dois últimos são dispositivos de comutação que aparecem como curtos-circuitos ou pés de cabra. Cada tecnologia possui características próprias, tornando-a mais ou menos adequada para uma aplicação específica. As combinações desses dispositivos também podem ser coordenadas para fornecer mais características ideais do que individualmente. A Tabela 1 lista os principais tipos de SPD usados em sistemas fotovoltaicos e detalha suas características operacionais gerais.
Um SPD deve ser capaz de mudar de estado com rapidez suficiente para o breve período em que um transiente estiver presente e descarregar a magnitude da corrente transiente sem falhar. O dispositivo também deve minimizar a queda de tensão no circuito SPD para proteger o equipamento ao qual está conectado. Finalmente, a função SPD não deve interferir com o funcionamento normal desse circuito.
As características operacionais do SPD são definidas por vários parâmetros que quem está fazendo a seleção para os SPDs deve entender. Este assunto requer mais detalhes que podem ser cobertos aqui, mas a seguir estão alguns parâmetros que devem ser considerados: tensão máxima de operação contínua, aplicação CA ou CC, corrente de descarga nominal (definida por uma magnitude e forma de onda), nível de proteção de tensão (o tensão terminal que está presente quando o SPD está descarregando uma corrente específica) e sobretensão temporária (uma sobretensão contínua que pode ser aplicada por um tempo específico sem danificar o SPD).
Os SPDs que usam tecnologias de componentes diferentes podem ser colocados nos mesmos circuitos. No entanto, eles devem ser selecionados com cuidado para garantir a coordenação de energia entre eles. A tecnologia de componente com a classificação de descarga mais alta deve descarregar a maior magnitude da corrente transitória disponível, enquanto a outra tecnologia de componente reduz a tensão transitória residual a uma magnitude menor, pois descarrega uma corrente menor.
O SPD deve ter um dispositivo de autoproteção integral que o desconecte do circuito caso o dispositivo falhe. Para tornar essa desconexão aparente, muitos SPDs exibem um sinalizador que indica seu status de desconexão. A indicação do status do SPD por meio de um conjunto auxiliar integral de contatos é um recurso aprimorado que pode fornecer um sinal para um local remoto. Outra característica importante do produto a ser considerada é se o SPD utiliza um módulo removível e seguro para os dedos que permite que um módulo com falha seja facilmente substituído sem ferramentas ou a necessidade de desenergizar o circuito.
Dispositivos de proteção contra sobretensão CA para considerações de instalações fotovoltaicas
Relâmpagos de nuvens para o sistema de proteção contra raios, a estrutura fotovoltaica ou um solo próximo causam um aumento do potencial de solo local em relação a referências de solo distantes. Os condutores que medem essas distâncias expõem o equipamento a tensões significativas. Os efeitos dos aumentos do potencial de aterramento são experimentados principalmente no ponto de conexão entre um sistema fotovoltaico conectado à rede e a concessionária na entrada de serviço - o ponto onde o aterramento local é eletricamente conectado a um aterramento referenciado distante.
A proteção contra surtos deve ser colocada na entrada de serviço para proteger o lado da rede elétrica do inversor de transientes prejudiciais. Os transientes vistos neste local são de alta magnitude e duração e, portanto, devem ser gerenciados por proteção contra surtos com classificações de corrente de descarga adequadamente altas. Os centelhadores controlados usados em coordenação com os MOVs são ideais para esse propósito. A tecnologia de centelhagem pode descarregar altas correntes de raios, fornecendo uma função de ligação equipotencial durante o transitório do raio. O MOV coordenado tem a capacidade de fixar a tensão residual a um nível aceitável.
Além dos efeitos do aumento do potencial de aterramento, o lado CA do inversor pode ser afetado por transientes induzidos por raios e de comutação da rede elétrica que também aparecem na entrada de serviço. Para minimizar danos potenciais ao equipamento, a proteção contra surtos CA com classificação adequada deve ser aplicada o mais próximo possível dos terminais CA do inversor, com a rota mais curta e direta para condutores com área de seção transversal suficiente. A não implementação deste critério de projeto resulta em queda de tensão maior do que o necessário no circuito SPD durante a descarga e expõe o equipamento protegido a tensões transitórias mais altas do que o necessário.
Dispositivos de proteção contra surtos DC para considerações de instalações fotovoltaicas
Ataques diretos a estruturas aterradas próximas (incluindo o sistema de proteção contra raios) e flashes inter e intra-nuvens que podem ser de magnitudes de 100 kA podem causar campos magnéticos associados que induzem correntes transitórias no cabeamento CC do sistema PV. Essas tensões transientes aparecem nos terminais do equipamento e causam falhas de isolamento e dielétricas de componentes principais.
Colocar SPDs em locais específicos atenua o efeito dessas correntes de raios induzidas e parciais. O SPD é colocado em paralelo entre os condutores energizados e o terra. Ele muda de estado de um dispositivo de alta impedância para um dispositivo de baixa impedância quando ocorre a sobretensão. Nesta configuração, o SPD descarrega a corrente transitória associada, minimizando a sobretensão que, de outra forma, estaria presente nos terminais do equipamento. Este dispositivo paralelo não transporta nenhuma corrente de carga. O SPD selecionado deve ser especificamente projetado, classificado e aprovado para aplicação em tensões DC FV. A desconexão SPD integral deve ser capaz de interromper o arco CC mais severo, que não é encontrado em aplicações CA.
A conexão de módulos MOV em uma configuração Y é uma configuração SPD comumente usada em grandes sistemas fotovoltaicos comerciais e de utilidade operando em uma tensão máxima de circuito aberto de 600 ou 1,000 Vdc. Cada perna do Y contém um módulo MOV conectado a cada pólo e ao aterramento. Em um sistema não aterrado, há dois módulos entre cada polo e entre o polo e o terra. Nesta configuração, cada módulo é classificado para metade da tensão do sistema, portanto, mesmo que ocorra uma falha pólo-terra, os módulos MOV não excedem seu valor nominal.
Considerações de proteção contra surtos do sistema sem alimentação
Assim como os equipamentos e componentes do sistema de potência são suscetíveis aos efeitos dos raios, o mesmo ocorre com os equipamentos encontrados nos sistemas de medição, controle, instrumentação, SCADA e comunicação associados a essas instalações. Nesses casos, o conceito básico de proteção contra surtos é o mesmo dos circuitos de força. Porém, como esse equipamento costuma ser menos tolerante a impulsos de sobretensão e mais suscetível a sinais errôneos e a ser adversamente afetado pela adição de componentes em série ou paralelos aos circuitos, maior cuidado deve ser dado às características de cada DPS adicionado. SPDs específicos são necessários de acordo com se esses componentes estão se comunicando por meio de par trançado, Ethernet CAT 6 ou RF coaxial. Além disso, os SPDs selecionados para circuitos sem energia devem ser capazes de descarregar as correntes transientes sem falha, para fornecer um nível de proteção de tensão adequado e evitar interferir com a função do sistema, incluindo impedância em série, capacitância linha a linha e terra e largura de banda de frequência .
Maus aplicações comuns de SPDs
Os SPDs têm sido aplicados a circuitos de energia por muitos anos. A maioria dos circuitos de energia contemporâneos são sistemas de corrente alternada. Como tal, a maioria dos equipamentos de proteção contra surtos foi projetada para uso em sistemas CA. A introdução relativamente recente de grandes sistemas fotovoltaicos comerciais e de utilidade pública e o número crescente de sistemas implantados tem, infelizmente, levado à aplicação incorreta do lado CC de SPDs projetados para sistemas CA. Nestes casos, os SPDs funcionam de forma inadequada, principalmente durante o modo de falha, devido às características dos sistemas fotovoltaicos cc.
MOVs oferecem excelentes características para servir como SPDs. Se forem avaliados e aplicados corretamente, eles atuam de maneira de qualidade para essa função. No entanto, como todos os produtos elétricos, eles podem falhar. A falha pode ser causada pelo aquecimento do ambiente, descarregando correntes maiores do que o dispositivo foi projetado para suportar, descarregando muitas vezes ou sendo exposto a condições de sobretensão contínua.
Portanto, os SPDs são projetados com uma chave seccionadora operada termicamente que os separa da conexão paralela ao circuito CC energizado, caso seja necessário. Uma vez que alguma corrente flui quando o SPD entra no modo de falha, um leve arco aparece quando a chave seccionadora térmica opera. Quando aplicado em um circuito CA, o primeiro cruzamento de zero da corrente fornecida pelo gerador extingue o arco e o SPD é removido com segurança do circuito. Se esse mesmo SPD CA for aplicado ao lado CC de um sistema fotovoltaico, especialmente altas tensões, não haverá cruzamento de zero da corrente em uma forma de onda CC. A chave operada termicamente normal não pode extinguir a corrente do arco e o dispositivo falha.
Colocar um circuito de bypass fundido paralelo ao redor do MOV é um método para superar a extinção do arco de falha CC. Se a desconexão térmica operar, um arco ainda aparecerá em seus contatos de abertura; mas essa corrente de arco é redirecionada para um caminho paralelo contendo um fusível onde o arco é extinto, e o fusível interrompe a corrente de falha.
O fusível a montante antes do SPD, como pode ser aplicado em sistemas CA, não é apropriado em sistemas CC. A corrente disponível de curto-circuito para operar o fusível (como em um dispositivo de proteção de sobrecorrente) pode não ser suficiente quando o gerador está em potência reduzida. Como consequência, alguns fabricantes de SPDs levaram isso em consideração em seu projeto. A UL modificou seu padrão anterior por meio de seu suplemento ao padrão de proteção contra sobretensão mais recente - UL 1449. Esta terceira edição é aplicável especificamente a sistemas fotovoltaicos.
Lista de verificação SPD
Apesar do alto risco de raios a que muitas instalações fotovoltaicas estão expostas, elas podem ser protegidas pela aplicação de SPDs e um sistema de proteção contra raios adequadamente projetado. A implementação eficaz do SPD deve incluir as seguintes considerações:
- Colocação correta no sistema
- Requisitos de rescisão
- Aterramento e ligação adequados do sistema de aterramento do equipamento
- Taxa de descarga
- Nível de proteção de tensão
- Adequação para o sistema em questão, incluindo aplicações CC versus CA
- Modo de falha
- Indicação de status local e remoto
- Módulos facilmente substituíveis
- A função normal do sistema não deve ser afetada, especificamente em sistemas sem energia
