Proteção contra raios e sobretensão para sistemas fotovoltaicos de telhado

Atualmente, muitos sistemas fotovoltaicos estão instalados. Com base no fato de que a eletricidade autogerada é geralmente mais barata e fornece um alto grau de independência elétrica da rede, os sistemas fotovoltaicos se tornarão parte integrante das instalações elétricas no futuro. No entanto, esses sistemas estão expostos a todas as condições climáticas e devem resistir a elas por décadas.

Os cabos dos sistemas fotovoltaicos freqüentemente entram no edifício e se estendem por longas distâncias até chegarem ao ponto de conexão da rede.

Descargas elétricas causam interferência elétrica conduzida e baseada em campo. Este efeito aumenta em relação ao aumento do comprimento do cabo ou loops do condutor. Os surtos não só danificam os módulos fotovoltaicos, inversores e seus eletrônicos de monitoramento, mas também os dispositivos na instalação do edifício.

Mais importante, as instalações de produção de edifícios industriais também podem ser facilmente danificadas e a produção pode ser interrompida.

Se os surtos forem injetados em sistemas distantes da rede elétrica, também chamados de sistemas fotovoltaicos autônomos, a operação do equipamento alimentado por eletricidade solar (por exemplo, equipamento médico, abastecimento de água) pode ser interrompida.

A necessidade de um sistema de proteção contra raios no telhado

A energia liberada por uma descarga elétrica é uma das causas mais freqüentes do incêndio. Portanto, a proteção pessoal e contra incêndio é de extrema importância no caso de um raio direto sobre o edifício.

Na fase de projeto de um sistema fotovoltaico, é evidente se um sistema de proteção contra raios está instalado em um edifício. Os regulamentos de construção de alguns países exigem que os edifícios públicos (por exemplo, locais de reunião pública, escolas e hospitais) sejam equipados com um sistema de proteção contra raios. No caso de edifícios industriais ou privados, depende da sua localização, tipo de construção e utilização se deve ser instalado um sistema de proteção contra raios. Para tanto, deve-se determinar se raios são esperados ou se podem ter consequências graves. As estruturas que precisam de proteção devem ser dotadas de sistemas de proteção contra raios permanentemente eficazes.

De acordo com o estado dos conhecimentos científicos e técnicos, a instalação de módulos fotovoltaicos não aumenta o risco de queda de raio. Portanto, a solicitação de medidas de proteção contra raios não pode ser derivada diretamente da mera existência de um sistema fotovoltaico. No entanto, uma interferência substancial de relâmpagos pode ser injetada no edifício por meio desses sistemas.

Portanto, é necessário determinar o risco resultante de um raio de acordo com a IEC 62305-2 (EN 62305-2) e levar em consideração os resultados desta análise de risco ao instalar o sistema fotovoltaico.

A seção 4.5 (Gerenciamento de risco) do suplemento 5 da norma alemã DIN EN 62305-3 descreve que um sistema de proteção contra raios projetado para a classe de LPS III (LPL III) atende aos requisitos usuais para sistemas fotovoltaicos. Além disso, medidas adequadas de proteção contra raios estão listadas na diretriz alemã VdS 2010 (proteção contra raios e sobretensões orientada a riscos) publicada pela Associação de Seguros Alemã. Esta diretriz também requer que LPL III e, portanto, um sistema de proteção contra raios de acordo com a classe de LPS III seja instalado para sistemas fotovoltaicos de telhado (> 10 kW_p) e que sejam tomadas medidas de proteção contra sobretensão. Como regra geral, os sistemas fotovoltaicos de telhado não devem interferir com as medidas de proteção contra raios existentes.

A necessidade de proteção contra sobretensão para sistemas fotovoltaicos

No caso de uma descarga elétrica, surtos são induzidos em condutores elétricos. Dispositivos de proteção contra surtos (SPDs) que devem ser instalados a montante dos dispositivos a serem protegidos no lado CA, CC e dados têm se mostrado muito eficazes na proteção de sistemas elétricos desses picos de tensão destrutivos. A seção 9.1 da norma CENELEC CLC / TS 50539-12 (Princípios de seleção e aplicação - SPDs conectados a instalações fotovoltaicas) exige a instalação de dispositivos de proteção contra sobretensão, a menos que uma análise de risco demonstre que os SPDs não são necessários. De acordo com a norma IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44), dispositivos de proteção contra sobretensão também devem ser instalados para edifícios sem sistema externo de proteção contra raios, como edifícios comerciais e industriais, por exemplo, instalações agrícolas. O suplemento 5 da norma alemã DIN EN 62305-3 fornece uma descrição detalhada dos tipos de SPDs e seus locais de instalação.

Roteamento de cabos de sistemas fotovoltaicos

Os cabos devem ser direcionados de forma que grandes laços de condutor sejam evitados. Isso deve ser observado ao combinar os circuitos CC para formar um string e ao interconectar vários strings. Além disso, os dados ou as linhas do sensor não devem ser encaminhados por várias cordas e formar grandes laços condutores com as linhas das cordas. Isto também deve ser observado ao conectar o inversor à rede. Por esse motivo, as linhas de energia (CC e CA) e de dados (por exemplo, sensor de radiação, monitoramento de rendimento) devem ser encaminhadas juntamente com os condutores de ligação equipotencial ao longo de toda a sua rota.

Aterramento de sistemas fotovoltaicos

Os módulos fotovoltaicos são normalmente fixados em sistemas de montagem de metal. Os componentes fotovoltaicos ativos no lado CC apresentam isolamento duplo ou reforçado (comparável ao isolamento de proteção anterior) conforme exigido na norma IEC 60364-4-41. A combinação de várias tecnologias no módulo e no lado do inversor (por exemplo, com ou sem isolamento galvânico) resulta em diferentes requisitos de aterramento. Além disso, o sistema de monitoramento do isolamento integrado nos inversores só tem efeito permanente se o sistema de montagem estiver conectado à terra. Informações sobre a implementação prática são fornecidas no Suplemento 5 da norma alemã DIN EN 62305-3. A subestrutura de metal é funcionalmente aterrada se o sistema fotovoltaico estiver localizado no volume protegido dos sistemas de terminação de ar e a distância de separação for mantida. A seção 7 do suplemento 5 requer condutores de cobre com uma seção transversal de pelo menos 6 mm² ou equivalente para aterramento funcional (Figura 1). Os trilhos de montagem também devem ser interligados de forma permanente por meio de condutores desta seção transversal. Se o sistema de montagem for conectado diretamente ao sistema externo de proteção contra raios devido ao fato de que a distância de separação s não pode ser mantida, esses condutores passam a fazer parte do sistema de compensação equipotencial de raios. Conseqüentemente, esses elementos devem ser capazes de transportar correntes elétricas. O requisito mínimo para um sistema de proteção contra raios projetado para uma classe de LPS III é um condutor de cobre com uma seção transversal de 16 mm² ou equivalente. Além disso, neste caso, os trilhos de montagem devem estar permanentemente interligados por meio de condutores desta seção transversal (Figura 2). O condutor de ligação equipotencial de aterramento / relâmpago funcional deve ser roteado em paralelo e o mais próximo possível dos cabos / linhas CC e CA.

Os grampos de aterramento UNI (Figura 3) podem ser fixados em todos os sistemas de montagem comuns. Eles conectam, por exemplo, condutores de cobre com seção transversal de 6 ou 16 mm² e fios de aterramento desencapados com um diâmetro de 8 a 10 mm para o sistema de montagem de forma que possam transportar correntes elétricas. A placa de contato integrada de aço inoxidável (V4A) garante proteção contra corrosão para os sistemas de montagem de alumínio.

Distância de separação s conforme IEC 62305-3 (EN 62305-3) Uma certa distância de separação s deve ser mantida entre um sistema de proteção contra raios e um sistema fotovoltaico. Ele define a distância necessária para evitar o flashover descontrolado para as partes metálicas adjacentes resultante de uma queda de raio no sistema externo de proteção contra raios. Na pior das hipóteses, um flashover descontrolado pode colocar fogo em um prédio. Neste caso, os danos ao sistema fotovoltaico tornam-se irrelevantes.

Sombras centrais em células solares

A distância entre o gerador solar e o sistema externo de proteção contra raios é absolutamente essencial para evitar sombras excessivas. Sombras difusas lançadas por, por exemplo, linhas aéreas, não afetam significativamente o sistema fotovoltaico e o rendimento. No entanto, no caso de sombras de núcleo, uma sombra escura claramente delineada é projetada na superfície atrás de um objeto, mudando a corrente que flui através dos módulos FV. Por esse motivo, as células solares e os diodos de bypass associados não devem ser influenciados pelas sombras do núcleo. Isso pode ser alcançado mantendo uma distância suficiente. Por exemplo, se uma haste de terminação de ar com um diâmetro de 10 mm sombreia um módulo, a sombra do núcleo é reduzida de forma constante conforme a distância do módulo aumenta. Após 1.08 m, apenas uma sombra difusa é projetada no módulo (Figura 4). O anexo A do suplemento 5 da norma alemã DIN EN 62305-3 fornece informações mais detalhadas sobre o cálculo das sombras do núcleo.

Dispositivos de proteção contra sobretensão especiais para o lado CC de sistemas fotovoltaicos

As características U / I das fontes de corrente fotovoltaica são muito diferentes das fontes CC convencionais: Elas têm uma característica não linear (Figura 5) e causam a persistência de longo prazo dos arcos inflamados. Esta natureza única de fontes de corrente FV não requer apenas interruptores FV e fusíveis FV maiores, mas também um seccionador para o dispositivo de proteção contra sobretensão que é adaptado a esta natureza única e capaz de lidar com correntes FV. O suplemento 5 do padrão alemão DIN EN 62305-3 (subseção 5.6.1, Tabela 1) descreve a seleção de SPDs adequados.

Para facilitar a seleção de SPDs tipo 1, as Tabelas 1 e 2 mostram a capacidade necessária de transporte de corrente de impulso de raio I_diabinho dependendo da classe de LPS, vários condutores de descida dos sistemas externos de proteção contra raios, bem como do tipo SPD (pára-raios baseado em varistor limitador de tensão ou pára-raios baseado em centelha de comutação de tensão). Os SPDs que estão em conformidade com o padrão EN 50539-11 aplicável devem ser usados. A subseção 9.2.2.7 do CENELEC CLC / TS 50539-12 também se refere a este padrão.

Pára-raios DC Tipo 1 para uso em sistemas fotovoltaicos:

Pára-raios CC combinado multipolo tipo 1 + tipo 2 FLP7-PV. Este dispositivo de chaveamento CC consiste em um dispositivo combinado de desconexão e curto-circuito com Controle Termo Dinâmico e um fusível no caminho de bypass. Este circuito desconecta com segurança o pára-raios da tensão do gerador em caso de sobrecarga e extingue os arcos CC com segurança. Assim, permite proteger geradores fotovoltaicos de até 1000 A sem fusível de reserva adicional. Este pára-raios combina um pára-raios e um pára-raios em um único dispositivo, garantindo a proteção eficaz do equipamento terminal. Com sua capacidade de descarga I_total de 12.5 kA (10/350 μs), pode ser usado com flexibilidade para as classes mais altas de LPS. FLP7-PV está disponível para tensões U_CPV de 600 V, 1000 V e 1500 V e tem uma largura de apenas 3 módulos. Portanto, FLP7-PV é o pára-raios combinado tipo 1 ideal para uso em sistemas de alimentação fotovoltaica.

SPDs tipo 1 baseados em centelha de comutação de voltagem, por exemplo, FLP12,5-PV, é outra tecnologia poderosa que permite descarregar correntes de raio parciais no caso de sistemas fotovoltaicos cc. Graças à sua tecnologia de centelhagem e um circuito de extinção DC que permite proteger com eficiência os sistemas eletrônicos a jusante, esta série de pára-raios tem uma capacidade de descarga de corrente de raio extremamente alta I_total de 50 kA (10/350 μs) que é único no mercado.

Pára-raios tipo 2 dc para uso em sistemas PV: SLP40-PV

A operação confiável de SPDs em circuitos fotovoltaicos CC também é indispensável ao usar dispositivos de proteção contra sobretensão tipo 2. Para este fim, os pára-raios série SLP40-PV também apresentam um circuito de proteção Y resistente a falhas e também são conectados a geradores FV de até 1000 A sem um fusível de reserva adicional.

As inúmeras tecnologias combinadas nestes pára-raios evitam danos ao dispositivo de proteção contra sobretensão devido a falhas de isolamento no circuito fotovoltaico, o risco de incêndio de um pára-raios sobrecarregado e coloca o pára-raios em um estado elétrico seguro sem interromper a operação do sistema fotovoltaico. Graças ao circuito de proteção, a característica de limitação de tensão dos varistores pode ser totalmente utilizada, mesmo em circuitos CC de sistemas fotovoltaicos. Além disso, o dispositivo de proteção contra sobretensão permanentemente ativo minimiza vários pequenos picos de tensão.

Seleção de SPDs de acordo com o nível de proteção de tensão U_p

A tensão operacional no lado CC dos sistemas fotovoltaicos difere de sistema para sistema. Atualmente, são possíveis valores de até 1500 V CC. Consequentemente, a rigidez dielétrica do equipamento terminal também difere. Para garantir que o sistema fotovoltaico seja protegido de forma confiável, o nível de proteção de tensão U_p para o SPD deve ser inferior à rigidez dielétrica do sistema fotovoltaico que ele deve proteger. O padrão CENELEC CLC / TS 50539-12 exige que Up seja pelo menos 20% menor do que a rigidez dielétrica do sistema fotovoltaico. SPDs tipo 1 ou tipo 2 devem ser coordenados por energia com a entrada do equipamento terminal. Se os SPDs já estiverem integrados ao equipamento terminal, a coordenação entre o SPD tipo 2 e o circuito de entrada do equipamento terminal é garantida pelo fabricante.

Exemplos de aplicação:

Edifício sem sistema de proteção externa contra raios (situação A)

A Figura 12 mostra o conceito de proteção contra sobretensão para um sistema fotovoltaico instalado em um edifício sem sistema externo de proteção contra raios. Surtos perigosos entram no sistema fotovoltaico devido ao acoplamento indutivo resultante de quedas de raios nas proximidades ou viajam do sistema de fonte de alimentação através da entrada de serviço para a instalação do consumidor. Os SPDs Tipo 2 devem ser instalados nos seguintes locais:

- lado cc dos módulos e inversores

- saída CA do inversor

- Quadro principal de distribuição de baixa tensão

- Interfaces de comunicação com fio

Cada entrada CC (MPP) do inversor deve ser protegida por um dispositivo de proteção contra sobretensão tipo 2, por exemplo, série SLP40-PV, que protege de forma confiável a CC lateral dos sistemas fotovoltaicos. O padrão CENELEC CLC / TS 50539-12 requer que um pára-raios tipo 2 CC adicional seja instalado no lado do módulo se a distância entre a entrada do inversor e o gerador fotovoltaico exceder 10 m.

As saídas CA dos inversores estão suficientemente protegidas se a distância entre os inversores FV e o local de instalação do pára-raios tipo 2 no ponto de conexão à rede (alimentação de baixa tensão) for inferior a 10 m. No caso de cabos com comprimentos maiores, um dispositivo de proteção contra sobretensão tipo 2 adicional, por exemplo, série SLP40-275, deve ser instalado a montante da CA da entrada do inversor conforme CENELEC CLC / TS 50539-12.

Além disso, um dispositivo de proteção contra surtos da série SLP2-40 tipo 275 deve ser instalado a montante do medidor da alimentação de baixa tensão. CI (Circuit Interruption) significa um fusível coordenado integrado ao caminho de proteção do pára-raios, permitindo que o pára-raios seja usado no circuito CA sem um fusível de reserva adicional. A série SLP40-275 está disponível para todas as configurações de sistema de baixa tensão (TN-C, TN-S, TT).

Se inversores forem conectados a linhas de dados e sensores para monitorar o rendimento, dispositivos de proteção contra surtos adequados são necessários. A série FLD2, que possui terminais para dois pares, por exemplo para linhas de entrada e saída de dados, pode ser usada para sistemas de dados baseados em RS 485.

Edifício com sistema de proteção externa contra raios e distância de separação suficiente s (situação B)

Figura 13 mostra o conceito de proteção contra sobretensão para um sistema fotovoltaico com sistema externo de proteção contra raios e distâncias de separação suficientes entre o sistema fotovoltaico e o sistema externo de proteção contra raios.

O principal objetivo da proteção é evitar danos a pessoas e propriedades (incêndio em edifícios) resultantes de uma queda de raio. Neste contexto, é importante que o sistema fotovoltaico não interfira com o sistema externo de proteção contra raios. Além disso, o próprio sistema fotovoltaico deve ser protegido da queda direta de raios. Isso significa que o sistema fotovoltaico deve ser instalado no volume protegido do sistema externo de proteção contra raios. Este volume protegido é formado por sistemas de terminação de ar (por exemplo, hastes de terminação de ar) que evitam a queda direta de raios nos módulos fotovoltaicos e cabos. O método do ângulo de proteção (Figura 14) ou método de esfera rolante (Figura 15) conforme descrito na subseção 5.2.2 do padrão IEC 62305-3 (EN 62305-3) pode ser usado para determinar este volume protegido. Deve ser mantida uma certa distância s de separação entre todas as partes condutoras do sistema fotovoltaico e o sistema de proteção contra raios. Neste contexto, as sombras do núcleo devem ser evitadas, por exemplo, mantendo uma distância suficiente entre as hastes de terminação de ar e o módulo fotovoltaico.

A ligação equipotencial de raios é parte integrante de um sistema de proteção contra raios. Deve ser implementado para todos os sistemas condutores e linhas que entram no edifício que podem transportar correntes elétricas. Isso é obtido conectando-se diretamente todos os sistemas de metal e indiretamente conectando todos os sistemas energizados por meio de pára-raios tipo 1 ao sistema de terminação de terra. A ligação equipotencial de raios deve ser implementada o mais próximo possível do ponto de entrada no edifício para evitar que correntes parciais de raios entrem no edifício. O ponto de conexão da rede deve ser protegido por um SPD tipo 1 baseado em centelhadores multipolares, por exemplo, um pára-raios combinado tipo 1 FLP25GR. Este para-raios combina um para-raios e um para-raios em um único dispositivo. Se o comprimento do cabo entre o pára-raios e o inversor for inferior a 10 m, é fornecida proteção suficiente. No caso de cabos com comprimentos maiores, dispositivos adicionais de proteção contra sobretensão tipo 2 devem ser instalados a montante da CA da entrada dos inversores conforme CENELEC CLC / TS 50539-12.

A cada CC a entrada do inversor deve ser protegida por um pára-raios FV tipo 2, por exemplo, série SLP40-PV (Figura 16). Isso também se aplica a dispositivos sem transformador. Se os inversores estiverem conectados a linhas de dados, por exemplo, para monitorar o rendimento, dispositivos de proteção contra sobretensão devem ser instalados para proteger a transmissão de dados. Para tanto, a série FLPD2 pode ser fornecida para linhas com sinal analógico e sistemas de barramento de dados como RS485. Ele detecta a tensão operacional do sinal útil e ajusta o nível de proteção de tensão para esta tensão operacional.

Condutor HVI isolado e resistente a alta tensão

Outra possibilidade de manter as distâncias de separação é usar condutores HVI isolados e resistentes a alta tensão, que permitem manter uma distância de separação de até 0.9 m no ar. Os condutores HVI podem entrar em contato diretamente com o sistema PV a jusante da faixa final de vedação. Informações mais detalhadas sobre a aplicação e instalação de condutores HVI são fornecidas neste Guia de proteção contra raios ou nas instruções de instalação relevantes.

Prédio com sistema de proteção externa contra raios com distâncias de separação insuficientes (situação C)

Se a cobertura for de metal ou for formada pelo próprio sistema fotovoltaico, a distância de separação s não pode ser mantida. Os componentes metálicos do sistema de montagem fotovoltaico devem ser conectados ao sistema externo de proteção contra raios de forma que possam transportar as correntes de raios (condutor de cobre com seção transversal de pelo menos 16 mm² ou equivalente). Isso significa que a ligação equipotencial de raio também deve ser implementada para as linhas fotovoltaicas que entram no edifício pelo lado de fora (Figura 17). De acordo com o suplemento 5 da norma alemã DIN EN 62305-3 e da norma CENELEC CLC / TS 50539-12, as linhas CC devem ser protegidas por um SPD tipo 1 para sistemas fotovoltaicos.

Para este propósito, um pára-raios combinado tipo 1 e tipo 2 FLP7-PV é usado. A ligação equipotencial de raios também deve ser implementada na alimentação de baixa tensão. Se o (s) inversor (es) fotovoltaico (s) estiver (ão) situado (s) a mais de 10 m do SPD tipo 1 instalado no ponto de conexão da rede, um SPD tipo 1 adicional deve ser instalado no lado ac do (s) inversor (es) (por exemplo, tipo 1 + pára-raios combinado FLP2GR tipo 25). Dispositivos de proteção contra sobretensão adequados também devem ser instalados para proteger as linhas de dados relevantes para monitoramento de rendimento. Os dispositivos de proteção contra surtos da série FLD2 são usados ​​para proteger sistemas de dados, por exemplo, baseados em RS 485.

Sistemas fotovoltaicos com microinversores

Os microinversores requerem um conceito diferente de proteção contra sobretensão. Para tanto, o dc a linha de um módulo ou de um par de módulos é conectado diretamente ao inversor de pequeno porte. Neste processo, loops condutores desnecessários devem ser evitados. O acoplamento indutivo nessas pequenas estruturas dc normalmente têm apenas um baixo potencial de destruição energética. O extenso cabeamento de um sistema fotovoltaico com microinversores está localizado no lado ac (Figura 18). Se o microinversor for instalado diretamente no módulo, os dispositivos de proteção contra sobretensão só podem ser instalados no lado CA:

- Edifícios sem sistema externo de proteção contra raios = pára-raios tipo 2 SLP40-275 para corrente alternada / trifásica nas proximidades dos microinversores e SLP40-275 na alimentação de baixa tensão.

- Edifícios com sistema de proteção contra raios externo e distância de separação suficiente s = pára-raios tipo 2, por exemplo, SLP40-275, em estreita proximidade com os microinversores e pára-raios que transportam corrente do tipo 1 na alimentação de baixa tensão, por exemplo, FLP25GR.

- Edifícios com sistema externo de proteção contra raios e distância de separação insuficiente s = pára-raios tipo 1, por exemplo, SLP40-275, próximo aos microinversores e pára-raios tipo 1 FLP25GR na alimentação de baixa tensão.

Independentemente de fabricantes específicos, os microinversores apresentam sistemas de monitoramento de dados. Se os dados forem modulados para as linhas CA por meio dos microinversores, um dispositivo de proteção contra sobretensão deve ser fornecido nas unidades de recepção separadas (exportação de dados / processamento de dados). O mesmo se aplica às conexões de interface com sistemas de barramento downstream e sua alimentação de tensão (por exemplo, Ethernet, ISDN).

Os sistemas de geração de energia solar são parte integrante dos sistemas elétricos atuais. Eles devem ser equipados com pára-raios e pára-raios adequados, garantindo assim a operação sem falhas a longo prazo dessas fontes de eletricidade.