Aterramento de usinas fotovoltaicas geradoras de energia de grande porte

Com colaboração do engenheiro eletricista Wagner Costa

O último parágrafo do documento IEEE 2778-D4:2020 – Guide for Solar Power Plant Grounding for Personnel Protection, com relação ao comissionamento de usina fotovoltaica de grande porte (acima de 5 MWp), pode ser assim resumido, em uma tradução bem livre: “Faça um bom projeto do sistema de aterramento, baseado em uma boa base de dados de resistividade do solo, porque não vai dar para medir depois”.

Esta é uma importante constatação que temos de ter em mente quando da elaboração do projeto do sistema de aterramento de uma usina fotovoltaica. Muitos projetos são elaborados como se uma usina fotovoltaica de grande porte fosse uma SE (subestação), com base em sondagens geoelétricas rasas e utilizando software que considera ideais os condutores da malha de aterramento. 

Não dá para comparar as dimensões de uma subestação com a de uma usina fotovoltaica de grande porte. O software que serve para uma SE, com dimensão da ordem de dezenas de metros, não serve, necessariamente, para qualquer tipo de projeto, muito menos para plantas geradoras de grande porte, com dimensões da ordem de quilômetros, como é o caso de parques eólicos e usinas fotovoltaicas.

A norma IEEE-2778-D4:2020 sugere que as medições de resistividade do solo sejam feitas segundo uma matriz da ordem de 500 m x 500 m. A norma ainda sugere que estas sondagens devem ter espaçamentos de até 75 m, o que significa uma abertura AB da ordem de 220 m (considerando que se trata de arranjo de medição Wenner). 

Finalmente, a norma sugere que sejam feitas algumas sondagens de grande abertura, de 300 metros, o que significa uma abertura AB da ordem de um quilômetro, tendo em vista a caracterização das camadas profundas do solo, com equipamentos de potência compatível para tal ensaio e condições de campo. Uma matriz de sondagens geoelétricas da ordem de 500 m x 500 m tem dimensão da ordem de grandeza de um setor de usina fotovoltaica (grupo de arranjos fotovoltaicos ligados a um mesmo eletrocentro). 

Uma sondagem geoelétrica com uma abertura de 1 km exige a disponibilidade de um resistivímetro potente, que viabilize a injeção de uma corrente de medição que proporcione uma boa relação sinal/ruído e a separação do Potencial Estático (SP) da medição. A IEEE-2778-D4:2020 observa que devido às grandes dimensões das usinas fotovoltaicas de grande porte, a impedância dos condutores de um extremo ao outro da malha pode ser da ordem de grandeza da sua própria resistência de aterramento, ressaltando a importância de uma modelagem mais acurada do sistema de aterramento. 

Com relação aos programas para simulação de sistemas de aterramento, esta norma observa que diversos programas têm limitações, no que diz respeito à modelagem do solo, ao número máximo de segmentos de condutores ou por não considerar as impedâncias própria e mútua dos condutores. Esta norma, que é a mais completa no que diz respeito ao sistema de aterramento de usina fotovoltaica de grande porte, deixa clara a necessidade de modelos de solo profundos e de software adequado, não somente para os projetos de usinas fotovoltaicas, mas também de parques eólicos.

De acordo com a norma IEC/TS 62738:2018 – Ground-mounted photovoltaic power plants – Design guidelines and recommendations, uma usina fotovoltaica é uma planta de geração de energia, cujo acesso é restrito para pessoas qualificadas e com EPI (equipamento de proteção individual) adequado.

Conforme a norma IEEE-2778-D4:2020 (item 5.3.5), a área interna de uma usina fotovoltaica pode ser considerada como um ambiente controlado, onde se pode exigir o uso de calçado com solado isolante adequado para uma planta de geração de energia.

Com base nestas premissas, a avaliação do desempenho do sistema de aterramento de uma usina fotovoltaica, do ponto de vista da segurança humana, deve ser realizada considerando dois critérios, um válido para trabalhadores dentro da usina fotovoltaica  e outro para qualquer pessoa que toca na cerca no perímetro externo da usina fotovoltaica.

De acordo com a norma ABNT 16.603:2017 – Calçado Isolante Elétrico, a resistência elétrica de uma bota de uso de eletricista deve ser maior que 1.000 MΩ. O calçado deve ser capaz de suportar a aplicação de 14.000 V (rms) em 60 Hz por um minuto, sendo que o valor da corrente de fuga não deve ser maior que 0,5 mA. Tem-se, portanto, que a questão da segurança humana no interior da usina fotovoltaica não é crítica, considerando que todos lá dentro são qualificados e utilizam EPI adequado.

Desta maneira, a região crítica para efeito do projeto da malha de aterramento é o perímetro externo da cerca, onde um cidadão qualquer, descalço, pode nela tocar. O ideal é que a cerca esteja aterrada de forma independente da malha da usina fotovoltaica, o que nem sempre é possível. A figura abaixo ilustra o mapeamento do GPR (Ground Potential Rise) na simulação de uma usina fotovoltaica GD (5 MWp) com dois tipos de software:

• Acima: malha de condutores reais;
• Abaixo: malha de condutores ideais (impedância nula – malha equipotencial).

A diferença do GPR calculado para as duas condições é significativa (entre 30% e 50%), ainda que para uma usina fotovoltaica de apenas 5 MW. Para uma usina fotovoltaica de grande porte o erro imposto por um programa que considera a malha equipotencial será muito maior, resultando no mapeamento de tensões de passo e de toque bastante distintos dos que efetivamente podem ocorrer. 

O pior é que a simulação com um programa que considera a malha equipotencial apresenta um resultado otimista, não permitindo a identificação dos gradientes de potenciais elevados que ocorrem na parte da usina fotovoltaica próxima à subestação, e que resultam em tensões e toque que podem ultrapassar os limites toleráveis, especialmente no perímetro externo da cerca da usina fotovoltaica.

Tem-se, portanto, que a avaliação do desempenho do sistema de aterramento de uma planta geradora de grande porte, seja uma usina fotovoltaica ou um parque eólico, considerando as exigências estabelecidas na normalização internacional aplicável (IEEE e IEC), exige todo um conjunto de recursos de modelagem que extrapola bastante os recursos usualmente aplicáveis a subestações e outras instalações de menor porte.