Proteção de Inversores de String 800 VAC Contra Surtos

A proteção dos sistemas fotovoltaicos contra os efeitos dos surtos de tensão causados por descargas atmosféricas é regida por normas como a NBR 16690, a NBR 5419-4 e a NBR IEC 61643-32. Técnicos e engenheiros reconhecem a necessidade de proteger equipamentos e instalações, mas a escolha da melhor solução ainda é um desafio. A seleção de um Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS) adequado pode aumentar a confiabilidade e a vida útil da instalação. Neste artigo, discutiremos os principais parâmetros para a proteção de inversores de string.

Uma configuração comum em usinas fotovoltaicas (UFVs),ilustrada na Figura 1, apresenta níveis de tensão de até 1500 VDC no lado de corrente contínua. Os inversores de string, geralmente instalados próximos aos módulos fotovoltaicos, operam com uma tensão de 800 VCA no lado de corrente alternada. Consequentemente, a maior parte do cabeamento da usina conecta esses inversores aos quadros de baixa tensão, que, por sua vez, se ligam ao transformador da subestação, responsável pela elevação da tensão aos níveis de média tensão exigidos pelas distribuidoras de energia.

Assim, quando uma descarga atmosférica atinge um módulo fotovoltaico ou um Termocaptor® Engastável, ocorre um surto de tensão. Isso se deve ao fluxo da corrente da descarga do ponto de impacto ao solo, elevando o potencial do aterramento local. No entanto, se a subestação estiver distante, seu aterramento pode não apresentar uma elevação de potencial significativa. Essa diferença de potencial, associada às conexões elétricas existentes, faz com que parte da corrente da descarga atmosférica (10/350 μs) flua entre o inversor e a subestação, tornando indispensável o uso de DPS Classe I no lado CA do inversor e na subestação. No lado CC do inversor, desde que haja proteção contra impactos diretos de descargas atmosféricas, circularão apenas correntes induzidas (8/20 μs),tornando suficiente a utilização de DPS Classe II. Essa abordagem está alinhada com as definições do relatório técnico IEC TR 63227.

Os DPS Classe II não oferecem proteção adequada no lado CA dessa configuração de usina. Mesmo que possuam uma tensão de operação UC compatível com os inversores de 800 V, não são suficientes para garantir a proteção necessária. Sem a proteção Classe I no lado CA do inversor, os riscos de incêndio e danos severos aumentam consideravelmente, uma vez que os dispositivos Classe II não foram projetados para dissipar a energia dos surtos resultantes da corrente parcial do raio (10/350 μs).

Entre os DPS Classe I compatíveis com inversores de 800 V, há diferenças tecnológicas que impactam diretamente a confiabilidade e o desempenho da proteção. Os DPS centelhadores operam como comutadores de tensão, eliminando surtos em nanosegundos. Já os DPS baseados em varistores atuam como limitadores de tensão, reduzindo gradualmente o surto e permitindo a passagem de uma parcela maior da corrente do raio. Como consequência, o uso de um DPS Classe I varistor pode sobrecarregar o DPS Classe II à jusante ou o protetor integrado ao inversor com uma quantidade significativa de energia, conforme ilustrado na Figura 3.

Os DPS centelhadores são mais duráveis, pois suportam descargas intensas sem deterioração, diferentemente dos varistores. Assim, ao escolher um DPS varistor pelo menor custo, é importante considerar a necessidade de substituições periódicas, o que não ocorre com os DPS centelhadores.

Sistemas fotovoltaicos como a topologia descrita acima podem sofrer do fenômeno de Degradação Induzida por Potencial (PID, do inglês Potential-Induced Degradation). Esse fenômeno ocorre quando os módulos em operação apresentam um potencial negativo em relação ao terra. Os dispositivos anti-PID, integrados aos inversores ou instalados externamente, injetam uma tensão CC no lado CA do inversor para mitigar os efeitos de PID. Essa tensão pode atingir até 50% da tensão do string, impactando diretamente os DPS. Em sistemas com tensão de string de 1500 V, por exemplo, a tensão CC superimposta no lado CA do inversor pode alcançar 750 V. Os DPS mencionados neste artigo foram projetados para operar corretamente mesmo na presença de dispositivos anti-PID.

A DEHN oferece diversas soluções para essa aplicação. O DEHNventil M2 880 FM (TEL-961151) , apresentado na Figura 4, é uma opção eficiente e econômica. Trata-se de um conjunto completo, que inclui quatro DPS e todos os acessórios necessários para a montagem da configuração “Neptune” (3+1),ocupando o mínimo de espaço no quadro elétrico. Sendo um dispositivo Classe I+II, o DEHNventil M2 880 FM protege contra correntes de surto provenientes tanto de descargas diretas (10/350 μs) quanto de surtos induzidos (8/20 μs).

Os DPS da linha DEHNbloc Maxi (TEL-961145 e TEL-961175) incorporam a tecnologia RADAX Flow, que limita e extingue rapidamente a corrente de seguimento, evitando a degradação do DPS e o desarme dos disjuntores e fusíveis. Além disso, garantem a coordenação com os DPS Classe II DEHNguard sem a necessidade de cabos adicionais e foram testados para operar em conjunto com os protetores Classe II integrados aos inversores de string mais utilizados. Outro destaque é sua capacidade de suportar sobretensões temporárias (TOV) por até 120 minutos sem danos ao DPS.

As considerações e testes apresentados aplicam-se ao DEHNbloc Maxi 440 (TEL-961145) na configuração “Neptune” (3+1). Nessa configuração, quatro DPS são conectados de forma que dois dispositivos fiquem sempre em série (fase-fase; fase-terra),conforme ilustrado na Figura 5. Com uma tensão máxima de operação (UC) de 440 V, essa configuração resulta em um UC de 880 V, garantindo proteção eficaz para inversores de 800 V.

O Suporte Técnico da Termotécnica Para-raios e Aterramentos está disponível para esclarecer dúvidas sobre as especificações e aplicações desses dispositivos.

Autor

Gabriel Almeida – Analista P&D e Instrutor de Cursos