Como qualquer outra instalação eléctrica as instalações eléctricas de sistemas FV deverão integrar dispositivos que assegurem a protecção das instalações e a protecção de pessoas. O projectista e instalador de sistemas FV deverá ter em conta os potenciais riscos, tomando medidas de protecção para os evitar ou para minimizar os seus efeitos durante e após a instalação.
Este artigo apresenta e discute alguns aspectos relacionados com as protecções típicas associadas a instalação de sistemas fotovoltaicos de pequena dimensão. Em geral as instalações eléctricas fotovoltaica devem respeitar as RTIEBT (Regras Técnicas das Instalações Eléctricas de Baixa Tensão). No entanto, existe muito pouca informação específica sobre protecções para este tipo de instalações. Alguma da informação existente consiste em regras recomendáveis para instalações FV que constam na norma IEC 60364-7-712 que referem particularidades de instalações FV e também na norma EN 50438 que define regras de ligação de micro-geração à rede de distribuição de baixa tensão. Este artigo pretende apenas fazer uma referência a algumas recomendações sobre protecções de sistemas FV, dos componentes e dos seus utilizadores.
As protecções de um sistema FV estão associadas aos diversos componentes dos sistemas, este artigo descreve as protecções associadas a estes componentes. Os aspectos relacionados com as protecções de sistemas FV, inclui um vasto conjunto de aspectos que nos obriga a dividir este artigo em duas partes. Esta primeira parte discutirá aspectos das protecções associados com os componentes da instalação DC dos sistemas FV. Numa segunda parte serão discutidas as protecções das instalações AC dos sistemas FV, os aspectos de ligação à rede e aspectos de segurança nos procedimentos de instalação e manutenção dos sistemas.
Os módulos
Os módulos deverão estar certificados de forma a garantir a protecção das pessoas contra choques eléctricos. Esta protecção deve ser garantida nos módulos através de protecção Classe II, implicando no mínimo, um isolamento duplo que permaneça intacto durante o período de vida útil do módulo. Esta certificação pressupõe a prova da conformidade do módulo à norma IEC 61215 em módulos cristalinos e IEC 61646 em módulos de filmes finos.
Figura 1. Instalação de módulo fotovoltaico sobre superfície pré-fabricada (Fonte: Jiro Ohno).
Para uma tensão inferior a 120 V, é possível instalar material eléctrico de protecção classe III, no entanto é sempre recomendável a utilização de módulos com protecção Classe II. Os valores máximos das tensões e correntes a considerar para o dimensionamento dos componentes da instalação deve considerar os valores máximos de corrente dos módulos Isc (corrente de curto- circuito, em condições Cts – Condições de Teste Standard) e tenção Voc (tensão em circuito aberto, em condições Cts). A tensão máxima do gerador FV deve ter em conta o produto do número de módulos em série pela tensão Voc. E corrente máxima do gerador deve ter em conta o produto do número de módulos em paralelo pela corrente Isc de cada módulo. Os componentes da instalação deverão estar dimensionados para suportar em funcionamento normal no mínimo 1,15 vezes a tensão Voc e 1,25 vezes a corrente de curto-circuito do gerador.
As regras anteriores, sobre valores máximos de tensão e corrente, são aplicáveis para módulos mono ou policristalinos. No entanto, para outro tipo de módulos os valores máximos poderão ser significativamente superiores pelo que se recomenda uma análise dos piores casos de tensão e corrente, tendo em consideração irradiâncias de 1250 W/m2 e as temperaturas mais baixas para o ajuste da tensão e mais temperaturas mais altas para o ajuste de Isc.
Figura 2. Modelo conceptual de um sistema fotovoltaico (Fonte: Jiro Ohno).
Cablagem
Os cabos utilizados na parte posterior dos painéis devem suportar no mínimo uma temperatura de 80ºC. Os cabos devem ser resistentes a radiação UV e flexíveis. Para uma eficaz protecção de terra e de curto-circuito, são recomendados cabos isolados monopolares para os condutores positivos e negativos. Para as instalações fotovoltaicas situadas em locais onde existe o risco potencial de ocorrência de descargas atmosféricas, deverão ser usados cabos com ecrãs/blindagens. De acordo com a norma europeia IEC 60364-7-712, o cabo da fileira tem de ser capaz de transportar 1,25 vezes a corrente de curto-circuito do gerador, e estar protegido contra falhas de terra e curto-circuitos. Os cabos devem ser dimensionados de forma que a queda de tensão entre o gerador e o inversor seja inferior a 1,5%.As tomadas de encaixe, muito usadas nos circuitos de sistemas FV, devem ter isolamento do tipo Classe II e protecção não inferior IP54. É recomendável que o seu aspecto físico seja diferente dos conectores usados nos circuitos AC. As tomadas de encaixe não devem constituir uma alternativa ao interruptor DC. Estas apenas podem funcionar como isoladores sem carga, pelo que não possuem poder de corte nem de fecho. Em nenhuma situação estes dispositivos poderão ser usados em substituição dos aparelhos de corte.
Fusiveis de fileira
Para proteger os módulos e os cabos das fileiras das sobrecargas, são intercalados fusíveis de fileira em todos os condutores activos. Para o circuito DC a protecção da cablagem só pode ser feita com fusíveis. No entanto, para os sistemas FV a protecção do circuito com fusíveis não é fácil de calibrar, pois as correntes de operação poderão ser muito próximas das correntes de curto-circuito do gerador. Por outro lado os geradores FV são fontes de corrente limitadas por um valor máximo. Por esta razão é usual,para pequenos sistemas com menos de 4 fileiras, não utilizar fusíveis, optando por dimensionar os cabos para suportar as correspondentes correntes de curto-circuito. Para estes casos é necessário verificar se os painéis da fileira suportam uma corrente inversa injectada pelas (N-1) restantes fileiras ((N-1)x1,15xIsc).
Para sistemas FV com 4 ou mais fileiras, onde as correntes de defeito poderão causar danos aos equipamentos da instalação, são utilizados fusíveis inseridos nos circuitos positivos e negativo dos cabos de fileira. Os fusíveis de fileira devem ser calibrados para operar com as correntes DC e para as energias do defeito.
Devem ser calibrados para operar com tensões Mx1,15xVoc, sendo M o número de módulos em série em cada fileira. Os fusíveis de fileira deverão actuar para valores de corrente inferiores a 2xIsc mas superiores aos valores de operação 1,25xIsc.
É recomendável a existência de formas de isolamento dos circuitos das fileiras para permitir a o teste e análise dos defeitos. Um sistema amovível dos fusíveis de fileira será suficiente.
Diodos de bloqueo
Os díodos de bloqueio das fileiras têm por função o desacoplamento eléctrico entre fileiras individuais. Estes díodos são apenas utilizados nos sistemas fotovoltaicos com inversores centrais em que os módulos estão sujeitos a importantes sombreamentos, ou então para módulos que não cumpram a protecção classe II. São integrados na caixa de junção geral do gerador, juntamente com dissipadores de calor.
Para promover o desacoplamento entre as fileiras dos módulos individuais, podem ser ligados díodos de bloqueio em série com cada fileira. No caso de ocorrer um curtocircuito ou o sombreamento de uma fileira, as restantes poderão continuar a funcionar sem serem perturbadas. Sem a presença de díodos de bloqueio nas fileiras, uma corrente fluiria no sentido inverso através da fileira afectada. A tensão de bloqueio destes díodos deverá ser igual ao dobro da tensão de circuito aberto da fileira fotovoltaica sob condições CTS (2xMxVoc).
Durante a operação do sistema fotovoltaico, os díodos de bloqueio das fileiras estão directamente polarizados. Isto permite que a corrente da fileira flua através dos díodos de bloqueio das fileiras (normalmente são necessários dissipadores de calor). A circulação de corrente provoca perdas de potência nos díodos (aprox. 0,5 a 2,0%), que tem origem na queda de tensão aos terminais do díodo de aproximadamente 0,5-1,0 V.
A falha de um díodo de bloqueio de fileira poderá ser problemática quando não é detectada nem reparada atempadamente. Por este motivo, são usualmente suprimidos os díodos de bloqueio das fileiras nos sistemas fotovoltaicos com ligação à rede. Na verdade os módulos standards suportam correntes inversas sete vezes superiores à corrente do curto-circuito, sem serem danificados. De acordo com o estabelecido na norma IEC
Interruptor principal DC
Na eventualidade da ocorrência de falhas, ou para a condução de trabalhos de manutenção e de reparação, será necessário isolar o inversor do gerador fotovoltaico. Para este fim utiliza-se o interruptor principal DC. De acordo com a norma IEC
O interruptor principal DC deve ser bipolar de forma a isolar o circuito positivo e negativo.Deverá ter suficiente poder de corte para permitir a abertura do circuito DC em boas condições de segurança. Deve estar também dimensionado para as condições de corte mais desfavoráveis, para a tensão máxima em circuito aberto Voc do gerador, bem como para a corrente máxima Isc.
O interruptor principal DC é alojado com frequência na caixa de junção do gerador. Por razões de segurança, é preferível instalá-lo directamente antes do inversor. O interruptor principal DC não deverá ser operado em carga. A interrupção de correntes DC mais difícil que a interrupção de correntes AC. É portanto recomendável operar preferencialmente o interruptor DC após o isolamento do circuito em AC. Por esta razão é recomendável a utilização de interruptores DC com bloqueio ou no mínimo um aviso com instrução de operação junto do interruptor.
Figura 3. Exemplo de interruptor de corrente contínua com medição electrónica de fuga à terra.
Caixa de junção geral
As fileiras individuais são ligadas entre si na caixa de junção geral do gerador. Para além destes cabos são ainda ligados o cabo principal DC e, caso seja necessário, o condutor de ligação equipotencial.
A caixa de junção geral do gerador contém terminais, aparelhos de corte e, se necessário, fusíveis de fileira e díodos de bloqueio das fileiras. Frequentemente é também instalado um descarregador de sobretensões para desviar as sobretensões para a terra. Esta é a principal razão pela qual a ligação equipotencial ou o condutor de terra são ligados à caixa de junção geral. Por vezes, também é alojado o interruptor principal DC. Esta caixa deve ser de protecção classe II, e ter os terminais positivo e negativo claramente separados no interior da caixa. No caso de ser instalada no exterior, deverá estar protegida, no mínimo, com protecção IP 54.
Para a maioria das configurações de sistemas fotovoltaicos, as caixas de junção do gerador podem ser adquiridas junto dos fornecedores, já devidamente equipadas e montadas. Os fabricantes de módulos e de inversores oferecem várias alternativas que são adequadas para os sistemas standard. As caixas de junção fixadas no exterior, devem ficar protegidas em conformidade com o Código IP 54 e devem ser resistentes aos raios UV. Recomenda-se no entanto a escolha de um local para a instalação que proteja a caixa de junção da chuva e da irradiação solar directa.
A caixa de junção geral do gerador pode incorporar componentes eléctricos standard, num invólucro protegido contra impactos mecânicos. Na instalação dos aparelhos de corte, de protecção e de comando, é possível usar blocos terminais montados sobre calhas em perfilado. Nesta disposição, os terminais positivos e negativos deverão ser rigorosamente separados e protegidos contra falhas de terra e curto-circuitos. Na configuração dos inversores de fileira (uma única fileira), a caixa de junção geral do gerador pode ser dispensada, uma vez que a fileiras está directamente ligadas ao inversor. Neste caso, os descarregadores de sobretensão encontram-se integrados com os inversores de cadeia de módulos.
Protecção contra descargas atmosféricas e sobretensöes
Devido à sua exposição os sistemas FV estão sujeitos ao efeito de descargas atmosféricas directas ou sobretensões devidas a descargas indirectas na proximidade da instalação, induzidas na instalação DC do gerador ou através da instalação AC do edifício.
Em geral os sistemas fotovoltaicos não aumentam, normalmente, o risco do edifício de vir a ser atingido por uma descarga atmosférica, no entanto existem casos de grandes estruturas de painéis colocadas nos pontos mais altos dos edifícios que poderão ter alguma implicação no risco de descargas atmosféricas directas.
Figura 4. Exemplo de interruptor de corrente contínua com descarregador de sobretensões
Se já existir um sistema de protecção contra descargas atmosféricas no prédio, o gerador fotovoltaico deverá ser ligado ao mesmo. O circuito de protecção interno do sistema fotovoltaico deverá ser executado de forma cuidadosa. Exceptuam-se os sistemas fotovoltaicos que estão situados em locais expostos, que deverão possuir um sistema próprio de protecção contra descargas atmosféricas. Deverá evitar-se a instalação dos componentes do sistema FV (painéis, inversores, etc.) afastados das estruturas de escoamento da descarga.
Em alguns casos particulares, quando o sistema fotovoltaico se encontra em locais expostos, poderá ser necessária a instalação de um sistema próprio de protecção contra descargas atmosféricas. Um exemplo desta situação, é o caso dos sistemas fotovoltaicos instalados nos telhados planos dos edifícios, uma vez que o gerador fotovoltaico, como uma estrutura que se projecta para além do telhado, constitui um ponto preferencial de impacto. O sistema de protecção externo contra descargas atmosféricas, compreende todo o equipamento e medidas para deter e escoar a descarga, consistindo num dispositivo de captação (captor), num condutor de escoamento da descarga (condutor de cobre, com uma secção mínima de 16 mm2) e no sistema de ligação à terra (aterramento). Deverá ser construído de acordo com o que é prescrito no Guia Técnico de Pára-Raios, editado pela DGEG - Direcção Geral de Energia e Geologia.
Um requisito prévio para a protecção interna contra descargas atmosféricas, é a ligação equipotencial dos elementos condutores (guia técnico de pára-raios, norma IEC 364-5-54). Através do barramento de terra, todos os sistemas condutores, tais como as canalizações metálicas de água, de gás, de aquecimento, etc, devem ser ligadas ao eléctrodo de terra. Da mesma forma se não for instalado nenhum sistema de protecção contra descargas atmosféricas, o gerador fotovoltaico terá de ser ligado à terra e incorporado no conjunto equipotencial.
O raio pode ser acoplado indutivamente nos módulos fotovoltaicos, nos cabos dos módulos e no cabo principal DC. O acoplamento indutivo nos módulos fotovoltaicos com armações metálicas, é perto de metade daquele que se verifica com os módulos fotovoltaicos sem armação. No intuito de reduzir o acoplamento nos condutores activos, cada condutor activo de uma fileira (positivo e negativo) deve estar tão próximo um do outro quanto possível.
Recomenda-se o uso de cabos isolados blindados, nos sistemas fotovoltaicos que estão expostos a descargas atmosféricas. A secção do cabo blindado deve ser no mínimo de 16 mm2(cobre). O extremo superior da blindagem deverá estar bem ligado à sub-estrutura metálica de apoio e às armações dos módulos fotovoltaicos, segundo o traçado mais curto possível. Se não forem usados cabos blindados, terão de ser ligados aos condutores activos descarregadores de sobretensão, com uma corrente nominal de descarga de cerca de 10 kA. Com cabos blindados, é suficiente usar descarregadores de sobretensão com uma corrente nominal de fugas aproximada de 1 kA.
Normalmente, a protecção contra sobretensões é instalada na caixa de junção geral do gerador. Nos locais expostos a raios, são instalados aparelhos de protecção contra sobretensões, antes e depois do inversor. Os descarregadores de sobretensão têm por função proteger os sistemas fotovoltaicos e os dispositivos electrónicos, do acoplamento indutivo e capacitivo, assim como da ocorrência de sobre-tensões na rede eléctrica pública.
Os descarregadores de sobre-tensões Tipo C, Classe II (norma IEC 61643-1), são utilizados normalmente nos lados DC e AC, com correntes nominais de descarga de 1kA por cada unidade de potência instalada (kWp). A tensão operacional DC do descarregador, tem de corresponder, entre um valor de 1 e 1,4 da tensão de circuito aberto do gerador fotovoltaico Voc, Para os locais com elevada probabilidade de incidência de descargas atmosféricas, recomenda-se a instalação de descarregadores equipados com dispositivos de isolamento térmico e indicadores visuais de falha. Os descarregadores de tipo B, Classe I, podem escoar directamente para a terra descargas atmosféricas, e são utilizados nas quando existe um risco elevado de incidência de descargas atmosféricas.
O operador do sistema deve fazer uma inspecção visual dos descarregadores depois de cada tempestade. No mínimo, esta inspecção deverá ser efectuada todos os seis meses. Se o local da instalação dos descarregadores não for facilmente acessível, a falha dos descarregadores deverá ser sinalizada remotamente. O indicador visual de falhas deve estar colocado num local de boa visibilidade para o operador do sistema (por exemplo, na vizinhança imediata da caixa do contador). Nos inversores que possuem monitorização contínua do isolamento da rede, o disparo dos aparelhos de protecção é de imediato detectado, pelo que neste caso não é necessário a monitorização remota.
Protecção de sistemas FV contra descargas atmosféricas em edifícios não protegidos
Se o prédio não tiver um sistema de protecção contra descargas atmosféricas, a estrutura de suporte do gerador fotovoltaico deverá ser ligada à terra e incorporada na união equipotencial. O gerador fotovoltaico deve ser ainda ligado à terra, sempre que são utilizados inversores que não possuem transformador de isolamento. Neste caso recomenda-se a ligação das armações dos módulos à terra para áreas fotovoltaicas iguais ou superiores a 10 m2.
Figura 5. Instalação de sistema fotovoltaico numa superfície não plana, na qual foram cumpridas os procedimentos standard no transporte, montagem e activação. O diagrama representa a distribuição eléctrica, onde apesar da inclinação do telhado pode ser alcançada uma distribuição adequada. (Fonte: Fraunhofer ISE).
Deverá existir um especial cuidado na ligação das armações dos módulos fotovoltaicos e das sub-estruturas metálicas ao condutor de protecção. Com o objectivo de assegurar a equipotencialidade entre diferentes circuitos de protecção, é recomendado o emprego de condutores de ligação com uma secção transversal mínima de 10 mm2 (cobre). A resistência de terra do eléctrodo de terra, ao qual o sistema fotovoltaico está ligado, deverá ser medida e registada. Não é necessário ligar à terra estruturas de suporte dos módulos fotovoltaicos de classe II para potências totais instaladas inferiores a 5 kWp, nem as estruturas perfiladas de apoio que estão próximas de prédios ou situadas no solo, das instalações fotovoltaicas que empregam tensões reduzidas de segurança.
Para longos cabos DC, recomenda-se a instalação do descarregador de sobre-tensão antes do inversor. Frequentemente, o descarregador de sobretensão, já vem integrado com o próprio inversor. Para os pequenos sistemas fotovoltaicos, com varistores integrados na entrada do inversor, é possível dispensar o descarregador de sobre-tensão da caixa de junção geral do gerador. Também são comercializados módulos fotovoltaicos com descarregadores integrados (varistores) na caixa de junção do módulo.
Protecção de sistemas FV contra descargas atmosféricas em edifícios protegidos
Se já existir um sistema de protecção contra descargas atmosféricas o gerador fotovoltaico deverá ser incorporado neste sistema de protecção. O objectivo é prevenir que o raio seja capaz de atingir directamente o módulo fotovoltaico. No caso dos captores de haste vertical as varetas dos pára-raios poderão ser utilizadas de forma a garantir que o cone de protecção abranja o sistema em conformidade com o estipulado no guia técnico do Pára-Raios. Deverá ser mantida a separação entre a estrutura fotovoltaica e o sistema de protecção externo. O afastamento entre o gerador fotovoltaico e a haste deve ser superior a 2 m de forma a evitar-se uma descarga lateral no gerador. As armações dos módulos fotovoltaicos e a estrutura metálica de suporte do gerador fotovoltaico deverão ser bem ligadas a um descarregador e pelo caminho mais curto possível.
Os descarregadores de sobretensão integrados nos inversores são na sua maioria dispositivos de protecção limitada que não proporcionam protecção contra sobretensões superiores a 5 kV. Por este motivo para sistemas fotovoltaicos que possuem sistemas de protecção externos contra descargas atmosféricas e que estejam particularmente exposto aos raios deverá ser instalado um descarregador de sobretensão no lado AC situado a cinco metros do inversor. Se os inversores forem monitorizados continuamente através de um interface computorizada a protecção contra sobretensões deverá ser adicionalmente instalada antes da unidade de processamento.
Figura 6. Processo de instalação modular em ascendente; (Fonte: KIER)
Figura 7. Painel de conexão; na parte traseira do módulo; fotovoltaico (Fonte: KIER).;
Ligação á terra de equipotenciais
Não é necessário ligar à terra de equipotenciais a armação e estrutura dos módulos se existir um transformador de isolamento no inversor nestes casos o circuito do lado AC e DC estão electricamente isolados. Outra vantagem da utilização de transformador de isolamento é a possibilidade de ligação do lado DC em tensão reduzida de segurança (UDC<120V segurança contra contactos directos salvaguardada). Para dispensar a ligação à terra é ainda condição necessária que as estruturas dos módulos não estejam na zona equipotencial não existindo risco de acessibilidade simultânea a partes da instalação com diferentes potenciais. Se exposição das estruturas dos painéis requerer uma protecção contra descargas atmosféricas directas já será necessária a ligação à terra mesmo que exista transformador de isolamento e que esteja fora da zona equipotencial.
Se não existir transformador de isolamento existe um risco elevado dos componentes DC ficarem sujeitos às sobretensões da rede AC. A falta de isolamento eléctrico entre os circuitos de potência DC e AC nos inversores sem transformador requer medidas de protecção adicionais em termos da configuração eléctrica de segurança. Nestes casos de inversores sem transformador de isolamento deve ser instalado um dispositivo universal sensível à corrente residual tanto do lado AC como DC. Nestes casos devem ser ligados à terra de equipotenciais todas as armações e estruturas da instalação.
O condutor geral de protecção ou de terra deve ser encaminhado através da via mais curta para o eléctrodo de terra preferencialmente em linha recta e vertical. Devido aos riscos de descarga laterais e de indução deve ser separado dos restantes cabos eléctricos. Deve evitarse formas de ligação que possam vir a gerar correntes de retorno (loops). Os condutores de protecção dos geradores fotovoltaicos situados em prédios que não possuem sistema de protecção contra descargas atmosféricas devem ter a mesma secção transversal que o cabo principal DC ou 4 mm2 conforme a maior secção. Para além destes condutores poderão também ser utilizados componentes condutores “naturais” da estrutura. Em algumas instalações é prática ligar à terra o condutor negativo DC. Esta prática não é recomendável devido a maus funcionamentos que podem surgir em determinados tipos de inversores e devido a defeitos de isolamento interno que possam surgir nos próprios inversores.
A ligação dos inversores à terra deve seguir as regras comuns de ligação de equipamentos eléctricos. No entanto salienta-se que inversores de Classe II não devem ser ligados à terra.
Figura 8. A parede de instalação do sistema fotovoltaico incorpora os inversores e aparelhos de medição (à direita) na zona de entrada do edifício (à esquerda). (Fonte: BEAR Architecten).
AUTORES:
Cláudio Monteiro e Célia Tenente