AFCI e rapid shutdown: como melhorar a segurança dos sistemas FV

Este artigo foi produzido e adaptado de materiais técnicos fornecidos pela Kehua

Nos últimos anos, com a busca acelerada por fontes renováveis de energia, os sistemas de conversão de energia fotovoltaica também estão se desenvolvendo rapidamente.

Impulsionados pela busca contínua de menor LCOE (custo nivelado da eletricidade) em sistemas fotovoltaicos, componentes e inversores em sistemas estão se desenvolvendo na direção de maior corrente e maior tensão.

Isso faz com que os cenários de aplicação dos sistemas fotovoltaicos se tornem cada vez mais complexos – e o perigo oculto de incêndios também aumenta.

Portanto, cada vez mais atenção tem sido dada a como melhorar a segurança das usinas fotovoltaicas. As duas tecnologias mais conhecidas no mercado são AFCI (arc fault circuit interrupter) e a rapid shutdown (desligamento rápido).

Vamos falar da primeira tecnologia, a AFCI. A sigla AFCI (do inglês) pode ser traduzida como “sistema de interrupção para falha de arco elétrico”. Seu funcionamento fornece uma garantia confiável para a segurança dos sistemas fotovoltaicos contra arcos elétricos, que são a principal causa de incêndio nos sistemas de energia solar.

Ao identificar os sinais característicos da formação de um arco elétrico em um circuito, o AFCI desconecta a fonte de energia (ou seja, os painéis solares) antes que a falha de arco se transforme em incêndio.

A função de detecção de arco foi proposta pela primeira vez no Código Elétrico Nacional dos Estados Unidos, que exige desde 2014 que os sistemas fotovoltaicos com tensão de sistema superior a 80 V sejam equipados com um disjuntor de arco CC apropriado.

Você sabe o que é arco elétrico?

O arco elétrico, também popularmente conhecido como arco voltaico, é o fenômeno do resultado da ruptura dielétrica do ar, no qual se produz uma descarga de plasma, semelhante a uma fagulha instantânea, resultante de um fluxo de corrente em um meio que normalmente é isolante.

O arco ocorre sempre em um espaço preenchido por um gás entre dois pontos condutivos, o que resulta em uma temperatura, capaz de fundir, vaporizar, e até causar incêndios por esse motivo.

Devido à alta temperatura que produzem, arcos elétricos são utilizados comercialmente em máquinas de solda e de corte a plasma, em fornos para a produção de aço e alumínio, entre outras aplicações.

Os incêndios elétricos com arcos são geralmente causados pelos seguintes motivos:

1. Arco série causado por maus contatos em conexões elétricas;
2. Arco paralelo (curto-circuito) causado pela falha de isolação em cabos elétricos;
3. Falhas para a terra, também causadas por rompimento da isolação de cabos elétricos;
4. Aumento anormal de temperatura causado por mau contato do circuito elétrico, disposição inadequada de equipamentos elétricos e sobrecarga.

Então podemos ver que o arco elétrico se torna uma das prioridades se queremos prevenir os incêndios em instalações.

Como a temperatura do arco pode ultrapassar 5.500 ℃, as partículas quentes emitidas pelo arco elétrico de alta intensidade se acumulam ao longo do tempo e facilmente inflamam o material da camada isolante ao redor do cabo, causando um incêndio elétrico.

Por isso a tecnologia AFCI é uma ferramenta na prevenção de incêndios, pois com ela conseguimos detectar e interromper o arco antes que ele provoque um incêndio.

A seguir vamos abordar quatro princípios de funcionamento do sistema AFCI:

1. Detecção do arco: arcos em circuitos elétricos são monitorados com por sistemas eletrônicos;
2. Identificação das características do arco: para evitar falsas detecções, algoritmos de AFCI utilizam filtros característicos e analisam padrões para identificar situações “normais” e arcos “perigosos”;
3. Análise de correspondência das características de proteção: as características de proteção atendem aos requisitos do padrão UL1699B: no barramento da fonte de alimentação CA, quando o AFCI detecta 8 arcos de falha de meio ciclo dentro de uma janela de 0,5 s, o AFCI irá desarmar e cortar o circuito, e o tempo de disparo deve ser menor do que 0,2 s;
4. Corte do circuito para realizar a proteção contra falhas: a partir disso, pode-se perceber que o AFCI é uma tecnologia de prevenção ativa de incêndios em usinas fotovoltaicas, o que exige que os fabricantes de inversores tenham forte solidez técnica.

Todos os inversores da série KEHUA oferecem a opção de serem equipados com a função AFCI. Após melhorias técnicas contínuas, a tecnologia AFCI da Kehua chegou à versão 3.0. Um algoritmo de IA (inteligência artificial) desenvolvido especialmente pela Kehua é usado para monitorar continuamente as características do arco e melhorar a precisão de identificação, o que permite detectar com rapidez e precisão a ocorrência de arcos elétricos nos circuitos de corrente contínua.

Rapid shutdown

Agora vamos dar uma olhada em outra tecnologia de desligamento rápido que term recebido muita atenção no mercado. O rapid shutdown (RSD) – sistema de desligamento rápido – do sistema fotovoltaico, como o nome sugere, é o sistema que realiza o rápido desligamento dos módulos fotovoltaicos em caso de falha.

Este conceito foi também proposto pelo National Electrical Code (NEC) nos Estados Unidos. Já em 2014, o NEC 2014 690.12 divulgou os regulamentos do desligamento rápido, que passaram a ser exigidos nos sistemas fotovoltaicos nos EUA.

Na versão de 2017 o NEC 690.12 propôs requisitos mais rigorosos para desligamento rápido – a distância até o painel fotovoltaico é de 3,05 m como limite. Em até 30 s após o acionamento do dispositivo de desligamento rápido, a tensão do sistema deve ser reduzida para abaixo 30 V fora dos limites dos painéis fotovoltaicos e 80 V no circuito dos módulos. Para isso é necessário o “desligamento rápido no nível do módulo”, o que significa que cada módulo fotovoltaico recebe individualmente um comando de desligamento.

Na última versão de 2020 do NEC, o termo “rapid shutdown” foi revisado e expandido e foram propostos “sistemas de controle de perigo fotovoltaicos”. A nova norma exige que o sistema fotovoltaico tenha um “sistema fotovoltaico de controle de perigo”, para que o sistema fotovoltaico possa estar em um estado controlável em uma situação crítica, ou seja, o “sistema fotovoltaico de controle de perigo” pode ser usado para realizar o desligamento no nível do módulo.

Dentro de 30 s após o início da desconexão, a tensão dentro do limite dos módulos fotovoltaicos deve cair abaixo de 80 V. O nascimento da tecnologia RSD ocorreu principalmente para evitar lesões por choque elétrico em bombeiros que realizam combate a incêndio após a ocorrência de um incêndio em usinas fotovoltaicas.

Pode-se observar que o RSD é uma tecnologia para garantir condições de resgate após um incêndio em uma usina fotovoltaica. Então, como implementar um desligamento rápido no nível do módulo? Diferentes tipos de inversores têm diferentes métodos de implementação.

Se for um microinversor, já que sua tensão de trabalho é geralmente em torno de 60 Vcc, ele pode atender naturalmente aos requisitos de desligamento rápido. Se for um inversor convencional, basta adicionar uma caixa de desligamento rápido (pode ser facilmente comprada no mercado), e o método de implementação é simples e de baixo custo.

Em resumo, AFCI e rapid shutdown (RSD) são tecnologias para dois momentos diferentes quando ocorre um incêndio em uma usina fotovoltaica. O AFCI é usado para evitar problemas antes que eles aconteçam e o RSD é usado para garantir as condições de resgate e a segurança da vida dos bombeiros após a ocorrência de um incêndio.

Ambos podem melhorar a segurança das usinas fotovoltaicas, mas é mais importante prevenir incêndios com o auxílio da tecnologia e com a melhoria das condições das instalações.