Mai 26, 2020

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Quais os reais riscos de incêndio em sistemas FV

As instalações fotovoltaicas, assim como qualquer instalação elétrica, estão sujeitas a falhas de equipamentos e de instalação que podem ocasionar incêndios. Porém, dada a sua introdução relativamente recente no mercado, os motivos de falhas de equipamentos, projeto e de instalação que podem levar a acidentes ainda não são totalmente compreendidos nem por parte do cliente final, nem por boa parte dos profissionais do setor.

É reconhecido que o principal ponto de falha em sistemas fotovoltaicos são as conexões de baixa qualidade da parte de corrente contínua do sistema [1], e que são causadas por arcos elétricos, assim como detalhado no artigo “Incêndio em sistemas FV: os perigos do arco elétrico” publicado anteriormente aqui no Canal Solar. Porém, as falhas nos outros componentes da instalação ainda representam cerca de 20% das causas que levam a incêndio [2].

Para compreender totalmente os riscos é necessária uma análise do sistema de forma completa, que será o tema deste artigo. Um ponto que deve ser observado é que sistemas solares fotovoltaicos são seguros quando projetados e executados por profissionais capacitados.

Visão Geral

A Alemanha foi o primeiro país a desenvolver um grande número de sistemas fotovoltaicos, possuindo assim uma boa porcentagem de sistemas com 10 anos ou mais de instalação. Portanto, há uma riqueza de dados sobre o comportamento a médio e longo prazos das falhas em sistemas FV. Os estudos de incêndios de instalações onde haviamsistemas fotovoltaicos [1] mostram que 56% dos casos de incêndios ocorreram devido à queda de raios e, dos 44% restantes, 17% dos incêndios foram causados por falha dos produtos, 9% por erros de projeto e 18% por falhas de instalação. Comparado ao número total de instalações fotovoltaicas na Alemanha (1,3 milhão) somente 0,016% das instalações sofreram falhas que levaram a incêndios. O número anual de incêndios de origem elétrica no país [3] é de 18 mil casos, muito abaixo do número de incêndios devido ao sistema fotovoltaico.

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Figura 1: Principais falhas que levam a incêndio em sistemas fotovoltaicos. Fonte: Sepanski et. al.

Das falhas internas, isto é, as falhas que não foram causadas por eventos externos como raios, temos o seguinte detalhamento da distribuição das falhas: 51% causadas por erros de instalação, 19% causadas por erros no circuito CC, 12% por falhas internas dos módulos, 10% de falhas internas ao inversor e 8% por falhas no circuito CA.

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Figura 2: Distribuição das falhas que levaram a incêndio em sistemas fotovoltaicos. Fonte: Sepanski et. al. 2015

Análise de falha

O arco elétrico é o principal mecanismo de falha dos componentes que causa incêndio nos sistemas [1]. As fontes de falha estão detalhadas nas tabelas abaixo de acordo com a probabilidade de ocorrência. Nota-se que as falhas são majoritariamente dependentes da qualidade da instalação.

Tabela 1: Falhas causadoras de arco elétrico, ordenadas por probabilidade de ocorrência.
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Conectores CC

Os arcos elétricos nos conectores são principalmente causados por falhas de instalação. Para garantir o encaixe correto é necessário seguir as recomendações de tamanho máximo do fio desencapado que se encaixa no terminal e também do uso correto de ferramenta para terminação do condutor. O uso do alicate para terminação incorreto é a principal causa deste tipo de falha de conexão [2]. A figura abaixo ilustra a diferença de qualidade da terminação para dois tipos de alicates.

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Figura 3: O uso de ferramenta correta aumenta significativamente a resistência ao arrancamento e a durabilidade da conexão.

Também é comum encontrar erros na capa plástica que aperta a borracha de vedação. Este tipo de erro causa a ingressão de água e poluentes, fazendo com que a conexão se deteriore, aqueça e perca a proteção contra arco elétrico.

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Figura 4: Vista explodida de de conector MC4. Para garantir o isolamento ideal, é necessário respeitar a ordem de montagem e o torque de aperto do fundo do conector.

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Figura 5: Falha encontrada durante etapa de comissionamento de um sistema. O fundo plástico do conector deve ser posto antes da terminação da conexão. Na figura, o fundo do conector foi erroneamente substituído por fita isolante.

Também não se devem utilizar conectores de modelos e fabricantes diferentes na mesma conexão, pois não se pode garantir o perfeito encaixe elétrico e isolamento do par macho-fêmea. As próprias normas de instalações fotovoltaicas brasileiras e internacionais (NBR 16690 e IEC/TS 62548) mencionam claramente essa questão. Cada fabricante utiliza um material diferente, que pode causar incompatibilidade química (corrosão dos contatos) e incompatibilidade mecânica (diferentes desenhos e expansão térmica), por exemplo. A utilização de conectores distintos pode aumentar a resistência de contato, que por sua vez aumenta a temperatura interna do conector, podendo diminuir sua vida útil ou até causar seu derretimento.

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Figura 6: O descasamento de conectores pode aumentar significativamente a resistência de contato e a temperatura na conexão.

A aplicação excessiva ou faltante de torque na terminação do conector tipo MC4 ou nos parafusos dos dispositivos também pode causar elevada resistência de contato ou falhas de conexão, conforme já abordado no artigo sobre arcos elétricos que publicamos aqui no Canal Solar.

Módulos fotovoltaicos

Os principais mecanismos de incêndio em módulos fotovoltaicos estão relacionados à corrente reversa, à qualidade dos módulos e à presença de microfissuras. A corrente reversa, já abordada em nosso artigo “Causas e efeitos da corrente reversa nos módulos fotovoltaicos” é uma situação de falha onde séries em paralelo possuem tensões Voc (de circuito aberto) distintas, seja por falha interna do módulo (curto-circuito interno), seja por erro de projeto e instalação. Quando surge a condição para corrente reversa danosa (duas ou mais séries em paralelo com uma série de Voc distintos), caso o sistema não esteja protegido por fusível, haverá aquecimento do módulo, que agora se comporta como um diodo polarizado reversamente e poderá se tornar um foco de incêndio.

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Figura 7: A corrente reversa danosa ocorre quando há diferença de tensão Voc entre strings em paralelo.

A baixa qualidade dos módulos também pode causar sinistros. Problemas como soldas mal feitas, embalagens precárias e mal projetadas, falta de zelo durante transporte e instalação podem causar o enfraquecimento ou quebra dos condutores internos do módulo. Quando isto ocorre, também poderá surgir um arco elétrico interno e, eventualmente, incêndio.

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Figura 8: As trilhas internas danificadas dos módulos também podem se tornar fontes de arcos elétricos em série.

As microfissuras causadas por impactos ou pisadas nos módulos, além de diminuir a potência do módulo, também oferecem risco, uma vez que em suas trincas há uma alta resistência elétrica que também causa aquecimento. A figura abaixo ilustra o aumento de temperatura causada pelas microfissuras.

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Figura 9: As microfissuras causam o aquecimento localizado do módulo, que por sua vez diminui a potência e a vida útil do mesmo.

String box

Deve-se tomar um cuidado especial na string box. A não aplicação do torque correto nos parafusos, o uso de conexões erradas e problemas de vedação da caixa estão diretamente associados ao risco de arcos elétricos e curtos-circuitos internos. Quanto aos componentes, é primordial que respeitem os limites de temperatura, tensão, isolação e corrente para que foram projetados. A especificação técnica de cada um dos componentes da string box pode ser encontrada em nosso artigo “Entenda as especificações básicas dos componentes da String Box”. É obrigatório que todas as string boxes externas tenham nível de proteção no mínimo IP55. Em um artigo recente, “DPS: O airbag dos sistemas fotovoltaicos”, fica evidenciada como a falta de qualidade interna de um componente que aparentemente estava dimensionado corretamente pode causar uma falha elétrica grave.

Tabela 2: Classificação IP de proteção de ingressão de corpos sólidos e líquidos.

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figura03 dps airbag dos sistema fotovoltaicos canal solar

Figura 10: O DPS de baixa qualidade causou um arco durante sua atuação, o que levou ao derretimento do mesmo.

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Figura 11: Não se deve paralelizar cabos nos dispositivos que não são próprios para tal. A terminação de conexões também se torna obrigatória.

Inversor e instalação CA

O inversor em si, especialmente quando de um fabricante de boa qualidade, apresenta poucos risco de arco interno, justamente por contar com um projeto robusto e proteções internas que podem detectar falhas precocemente. Os defeitos elétricos em inversores são majoritariamente [1] de projeto e instalação: terminais mal crimpados ou com condutores errados e limites de tensão e corrente acima do permitido. Deve-se ainda observar as condições do local de instalação: a norma NBR 5410 classifica os ambientes e construções quanto ao seu risco de combustão e dá diretrizes sobre qual o nível de proteção dos dispositivos e condutores que podem ser empregados.

O dimensionamento dos cabos CA e CC, segundo os critérios de capacidade de condução de corrente, também está diretamente relacionado ao risco de aquecimento e derretimento dos mesmos. Para mais informações sobre dimensionamento, leia nosso artigo “Dimensionamento de cabos e proteções em sistemas fotovoltaicos”.

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Figura 13: A improvisação de uma caixa de saída fez com que as rebarbas metálicas cortassem os condutores das strings.

Prevenção de falhas e incêndios

Com base nos estudos de incêndio mostrados anteriormente, podemos classificar as principais ações para a prevenção de falhas entre ações de projeto, ações de instalação e ações de escolha de componentes.

Tabela 3: Ações de prevenção de falhas e incêndios em sistemas fotovoltaicos.

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A norma brasileira ABNT NBR 16274 dita quais testes de comissionamento devem ser realizados ao término da instalação, complementando assim a prevenção contra incêndios. Esta norma será tema de um artigo futuramente aqui no Canal Solar.

Conclusão

A instalação de um sistema fotovoltaico não aumenta o risco de incêndio de um estabelecimento. Em um mercado mais maduro, como o alemão, somente 0,016% dos incêndios de origem elétrica se deram por causa de falhas do sistema fotovoltaico.

Devido ao crescimento do mercado de energia solar e ao aumento da atuação de novos projetistas e instaladores, a capacitação técnica dos profissionais e a escolha de bons componentes é primordial para a prevenção de incêndios e o amadurecimento do mercado fotovoltaico nacional.

Uma escolha boa de equipamentos não está limitada somente ao seu desempenho. É importante pesar na escolha do equipamento a presença do fabricante em mercado nacional. Como a maioria das falhas se dá por problemas de instalação, um bom suporte técnico e o oferecimento de capacitação por parte desses fabricantes fortalecem e amadurecem as instalações os profissionais do mercado.

Bibliografia

[1] Sepanski et. al., 2015. Assessing Fire Risks in Photovoltaic Systems and Developing Safety Concepts for Risk Minimization. Disponível em: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2018/10/f56/PV%20Fire%20Safety%20Fire%20Guideline_Translation_V04%2020180614_FINAL.pdf

[2] PV bankability analysis, Stäubli. Disponível em: https://ec.staubli.com/AcroFiles/Catalogues/PV_Sol-Bankability-11014310_(en)_hi.pdf

[3] Consumer fire safety: European statistics and potential fire safety measures. Disponível em: https://www.ifv.nl/kennisplein/Documents/09-06-24_rapport_consumer_fire_safety_pdf1.pdf

[4] World Fire Statistics 2018, International Association of Fire and Rescue Services. Disponível em: https://www.ctif.org/sites/default/files/2018-06/CTIF_Report23_World_Fire_Statistics_2018_vs_2_0.pdf



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Last modified on Sexta, 15 Mai 2020 10:50
Mateus Vinturini

Especialista em sistemas fotovoltaicos e engenheiro eletricista graduado pela Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP. Entusiasta de ciências e tecnologia, com experiência no ramo da energia solar, tanto no âmbito comercial como em projeto, dimensionamento e instalação de sistemas fotovoltaicos. 

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