Dimensionamento de cabos e proteções em sistemas fotovoltaicos

Um sistema fotovoltaico conectado a rede é composto de forma simplificada por um conjunto de módulos fotovoltaicos, cabeamento CC, string box com proteções CC, inversor, cabeamento CA e proteção CA.

As normas NBR 5410, 5419, 16612 e 16690 determinam os critérios de proteção que um sistema fotovoltaico deve possuir, tanto em sua parte CA quanto sua parte em CC.

O conjunto de normas prevê que as instalações devem ter como características básicas a proteção contra choque elétrico do usuário, proteção contra efeitos térmicos e incêndios, proteção contra sobrecorrente, proteção contra sobretensão e capacidade de seccionamento.

Neste artigo será explorado como determinar a seção dos cabos e os componentes de proteção de sobrecorrente e corrente de curto circuito de um sistema fotovoltaico a fim de garantir a proteção térmica e contra incêndio dos cabos.

Efeitos térmicos

Uma corrente atravessando um condutor gera calor pelo efeito Joule. O calor gerado no condutor é proporcional ao quadrado da corrente, à resistência do condutor e ao tempo em que o condutor está conduzindo tal corrente. Podemos então escrever:

Q = I².R.t

Onde:

• Q é o calor gerado por uma corrente elétrica percorrendo uma determinada resistência elétrica por determinado tempo, medida em Joules;
• I é a corrente elétrica que percorre o condutor com determinada resistência R;
• R é a resistência elétrica do condutor;
• t é a duração ou intervalo de tempo em que a corrente elétrica percorreu ao condutor.

A resistividade ou resistência R de um condutor pode ser calculada como:

Resistividade = ρ . L / A

Onde ρ é a resistividade do material do condutor, L é o tamanho do condutor e A é a seção do condutor. Podemos notar então que o aumento da seção do condutor diminui a resistência do cabo, que por sua vez diminui o calor gerado no cabo.

Os condutores têm capacidade de dissipar para o ambiente o calor gerado pelo efeito Joule, porém, tal capacidade pode ser afetada pela temperatura ambiente, agrupamento dos circuitos próximos, o método em que o condutor for instalado e a resistividade térmica do solo, se o mesmo estiver enterrado. Caso essa dissipação seja insuficiente, o cabo esquentará e poderá eventualmente iniciar um foco de incêndio.

A NBR 16690, norma que regula os sistemas fotovoltaicos, indica que todos os condutores de sistemas fotovoltaicos devem ser dimensionados seguindo os preceitos das normas NBR 5410 e NBR 16612 (cabos específicos para aplicações solares).

No decorrer do artigo ,exploraremos como devem ser dimensionados os cabos de um sistema fotovoltaico e qual a relação do dimensionamento com a proteção do sistema.

Quanto ao dimensionamento de cabos, a norma NBR 16690 afirma:

Portanto, a definição de capacidade de condução de corrente a ser seguida depende de qual trecho do circuito está sendo analisado.

Capacidade de condução de corrente

Todos os cabos de um sistema fotovoltaico devem estar dimensionados de forma a diminuir o risco de superaquecimento e incêndio. O dimensionamento de um condutor deve levar em conta as seguintes grandezas elétricas:

• Corrente de projeto – Ib: Corrente que um determinado circuito consome ou injeta. 
• Corrente nominal – In: Corrente na qual determinado dispositivo, cabo ou proteção foram projetados para operar sem risco de danos.
• Corrente de sobrecarga: Corrente de um circuito operando em caráter contínuo ou prolongado acima da corrente nominal In ou da capacidade de condução de corrente Iz.
• Corrente de curto-circuito – Icc: Sobrecorrente elevada momentânea que surge quando há um curto-circuito ou falha elétrica entre condutores ou entre condutor e terra
• Capacidade de condução de corrente – Iz: Capacidade que um cabo possui de conduzir corrente dado a sua seção, de tal forma que o cabo não ultrapasse a temperatura máxima estabelecida na tabela 35 da 5410 ou norma equivalente

Para que não haja aquecimento acima do permitido, os condutores devem ter capacidade de condução de corrente maior ou igual a corrente de projeto Ib do circuito que ele alimenta.

Porém, como citado anteriormente, a capacidade de um cabo em dissipar calor é dependente da temperatura ambiente, agrupamento dos circuitos próximos, o método em que o condutor for instalado e a resistividade térmica do solo, se o mesmo estiver enterrado.

As normas NBR 5410 e NBR 16612 preveem meios de recalcular a capacidade de condução de corrente baseado nestes efeitos externos. 

Métodos de instalação segundo NBR 16612:

Os cabos que estiverem expostos à radiação UV, elevadas temperaturas ou que formem séries fotovoltaicas devem seguir a capacidade de condução de corrente dada pelas tabelas do anexo C da norma NBR 16612. Por exemplo, ara cabos instalados ao ar livre temos: E a capacidade de condução de corrente para esse tipo de instalação dada por:

Tabela: Capacidade de condução de corrente segundo NBR 16612, em temperatura ambiente de 30ºC e temperatura do condutor em regime permanente de 90 ºC

O fator de agrupamento deve ser aquele definido pela NBR 5410. A NBR 16612 diz, na seção “C.5 Agrupamento de circuitos”: Em caso de agrupamento de circuitos, devem ser utilizados os fatores de agrupamento dados na ABNT NBR 5410.

Para temperaturas maiores e outros métodos de instalação, deve-se seguir as demais tabelas do anexo C. Para os demais cabos do sistema, podemos seguir as especificações da NBR 5410. Os fatores de correção para capacidade de condução de corrente são:

• Fator de temperatura ambiente – F_TA
  • O aumento da temperatura ambiente diminui a capacidade de dissipação do cabo, portanto, diminui a capacidade de condução de corrente

Tabela 3: Fatores de correção para temperatura ambiente diferente de 30ºC para linhas não-subterrâneas e de 20ºC para linhas subterrâneas

• Fator de resistividade térmica do solo – F_RS
  • Para cabos enterrados, a capacidade do solo em absorver calor é primordial quanto ao aumento de temperatura do condutor

Tabela 4: Fator de correção para linhas subterrâneas em solo com resistividade térmica diferente de 2,5 K.m/W

• Fator de agrupamento de circuitos – F_AC
  • Cabos agrupados conduzem calor entre si e dificultam a dissipação térmica pelo ar

Tabela 5: Fator de agrupamento de condutores segundo NBR 5410

A capacidade de condução de corrente corrigida (Iz’) para um circuito é obtida pela fórmula:

Iz’=Iz * F_TA * F_RS * F_AC

Onde o valor de Iz é obtido em uma tabela que relaciona o método de instalação do condutor com a seção do cabo.

Tabela 6: Capacidade de condução de corrente para cabos do tipo EPR e XLPE

A relação entre proteção contra sobrecorrente e corrente reversa

O módulo pode ser aproximado por uma fonte de corrente proporcional à irradiação solar. As condições de testes STC determinam a corrente de curto-circuito e a tensão em aberto do módulo assumindo uma irradiação de 1000 W/m2 e temperatura de célula de 25°C. 

Numa instalação real a temperatura da célula atinge cerca de 30°C acima da temperatura ambiente, portanto, é comum que as células atinjam até 70°C durante a operação.

O aumento de temperatura da célula tem um efeito sutil no aumento da corrente de curto-circuito do módulo (Isc), na ordem de +0,05% /°C. Para uma temperatura ambiente de 30°C, o aumento de I_sc em relação às condições STC é de somente 1,7%.

Como numa instalação real a temperatura ambiente máxima é limitada e raramente se ultrapassa os 1000 W/m², a corrente Isc nunca ultrapassará valores significativos além dos valores determinados em STC + 2%. Portanto não se faz necessário proteção contra sobrecorrente por uma eventual elevação da geração do módulo.

A proteção de sobrecorrente através de fusível ou disjuntor tem como função principal impedir que ocorra fluxo de corrente reversa.

A corrente reversa ocorre em um conjunto de módulo com strings em paralelo quando a tensão de circuito aberto (V_oc) de uma string é menor do que a tensão de circuito aberto das outras strings.

Quando isto ocorre, a string afetada se comporta de forma análoga a uma carga do sistema, dissipando o calor gerado por essa passagem de corrente reversa. As causas mais comuns de corrente reversa são:

• Curto circuito em um dos módulos;
• Curto circuito entre as células dos módulos;
• Falhas de aterramento do módulo;
• Erros de instalação causando strings em paralelo com quantidade diferente de módulos.

Para saber mais sobre corrente reversa leia nosso artigo sobre o tema, disponível em: Causas e efeitos da corrente reversa nos módulos fotovoltaicos 

Dimensionamento de dispositivos de proteção de sobrecorrente e corrente reversa

Podem ser utilizados como dispositivos de proteção contra sobrecorrente e corrente reversa em arranjos fotovoltaicos disjuntores e fusíveis do tipo gPV. Os detalhes de cada um desses componentes podem ser encontrados no artigo Entenda as especificações básicas dos componentes da String Box

A proteção contra sobrecorrente em uma série só é obrigatória se a corrente dos módulos em que a série se encontra em paralelo for maior do que a máxima corrente reversa suportada pela série analisada.

Então, por exemplo, uma série que contenha módulos que tenham máxima corrente reversa suportada de 15 A e corrente Isc de 9 A pode ser paralelizada com uma série idêntica, sem necessidade de disjuntor ou fusível.

Porém, não pode ser paralelizada com 2 ou mais séries sem o uso de proteção pois, caso ocorra uma corrente reversa, a série não tem capacidade de suportá-la sem oferecer riscos (corrente reversa possível com mais duas strings em paralelo: 18 A, máxima suportabilidade da string analisada: 15 A)

O dispositivo de proteção contra sobrecorrente, quando obrigatório, deve estar dimensionado de tal forma que a corrente nominal do dispositivo In, obedeça:

○ 1,5*I_sc < In < 2,4*I_sc

○ In menor ou igual a máxima corrente reversa suportada pelo módulo (ver datasheet)

Quando agregam-se caixas de junção das séries em uma caixa de junção principal, forma-se um sub-arranjo fotovoltaico, conforme a figura abaixo. O sub-arranjo também deve ter proteção contra sobrecorrente, com o dispositivo de proteção atendendo os requisitos abaixo:

○Necessária se houver mais de dois agrupamentos de séries conectadas a um inversor

○1,25*I_{SC Sub-arranjo} < In < 2,4*I_{SC Sub-arranjo}

Quando a caixa de junção das séries está conectada diretamente no inversor, forma-se um arranjo fotovoltaico.

A proteção contra sobrecorrente do arranjo fotovoltaico só é obrigatória caso haja algum banco de baterias ou qualquer outra fonte de corrente além do sistema fotovoltaico que possa contribuir para uma sobrecorrente danosa. A proteção, nesses casos, é definida como:

1,25.I_SC-ARRANJO < I_n < 2,4.I_SC-ARRANJO

Todos os cabos devem ser capazes de suportar as correntes nominais dos dispositivos de proteção a eles conectados.

Nos trechos de circuito onde não há dispositivo de proteção contra sobrecorrente, como por exemplo, nos cabos que formam o arranjo fotovoltaico quando não há fontes externas de corrente ou quando o uso não é obrigatório, deve-se seguir as recomendações da tabela 5 da NBR 16690.

Tabela 7: Seção mínima dos condutores em relação a proteção e utilização do mesmo

Todos os dispositivos de proteção devem ser capazes de operar nas tensões máximas dos circuitos aos quais estão conectados.

Exemplo

Neste exemplo serão dimensionados os cabos para um arranjo de 180 módulos BYD 370M6K-35. Os módulos estão colocados em uma mesa de 90 módulos de largura por 2 módulos de altura, com cada string contendo 18 módulos.

As dez strings serão conectadas a uma string box, onde serão paralelizadas. O circuito paralelizado será ligado ao inversor através de um cabo enterrado.

Pelo datasheet do módulo, podemos obter a corrente de curto-circuito, a tensão de circuito aberto e a maior corrente nominal do dispositivo de proteção da série possível.

Cada string terá 18 módulos em série, portanto, 9,77 A de corrente Isc e 846 V de Voc. Como as strings estão conectadas em paralelo na string box, é necessário haver proteção contra sobrecorrente / corrente reversa na série. Seguindo a NBR 16690, o valor nominal do dispositivo de proteção contra sobrecorrente deve respeitar:

○ 1,5*I_sc < In < 2,4*I_sc, portanto, 14,66 < In < 23,44 A

○ In menor ou igual a máxima corrente reversa suportada pelo módulo (ver datasheet), portanto, In >= 15 A

O dispositivo de proteção contra sobrecorrente escolhido deve ser entre 14,66 A e 15 A, portanto, neste exemplo foi escolhido um fusível de 15 A.

Os módulos devem ser ligados a string box com um cabo que siga a norma NBR 16612, pois o mesmo está exposto ao tempo e faz parte de uma série fotovoltaica. Imediatamente antes da string box os cabos de todas as strings estarão dividindo um mesmo eletroduto, que fora colocado abaixo dos módulos.

Neste eletroduto haverá o agrupamento de 10 circuitos a uma temperatura ambiente de 40°C. O método de instalação é definido na sessão C.1 da norma 16612:

A capacidade de condução de corrente é dada então pela tabela abaixo. (Tabela C.3 da norma NBR 16612 – para temperatura ambiente de 40ºC)

O fator de correção de agrupamento é dado pela NBR 5410:

O cabo está instalado pelo método 1, possui 4 mm² de seção e está instalado ao abrigo do sol, portanto, a sua capacidade de condução de corrente é de 42 A. Como o cabo está agrupado em um eletroduto com 10 circuitos, o fator de correção de agrupamento F_AC é de 0,5.

Iz’= Iz * F_AC

Iz’ = 42 * 0,5

Iz’ = 21 A

Como a capacidade de condução de corrente corrigida Iz’ é maior que a corrente de projeto (corrente de cada série) e maior do que a corrente nominal do dispositivo de proteção (fusível, 15 A), o cabo de 4mm² pode ser utilizado com segurança.

As séries paralelizadas na string box possuem 846 V de V_oc e 97,7 A. Como os cabos estão enterrados e não estão expostos a radiação UV, podemos seguir a norma NBR 16612. Neste exemplo, consideraremos que a temperatura do solo é de 30°C e a resistividade térmica 2,5 K.m/W. O método de instalação para cabo enterrado é, e a tabela de capacidade de condução de corrente:

Para este exemplo não se faz necessário o uso de dispositivo de proteção de sobrecorrente de arranjo, porém, quando se faz essa escolha, deve-se seguir a mínima capacidade de condução de corrente presente na tabela 5 na NBR 16690, que diz que o cabo deve suportar no mínimo 1,25 vezes a corrente de curto-circuito do arranjo. A corrente de curto-circuito do arranjo é de 97,7 , portanto, o condutor deve suportar pelo menos 122,15 A.

Para determinar a seção mínima do condutor, utiliza-se a equação abaixo.

Iz’=Iz * FTA * FRS * FAC

Como 122,12 <= Iz’

122,12 <= Iz * F_TA * F_RS * F_AC

Iz >= 122,12/ (F_TA * F_RS * F_AC)

Iz >= 122,12 / (1*1*1)

Iz >= 122,12 A.

Da tabela de capacidade de condução de corrente, obtemos então que a seção mínima do condutor deve ser de 50 mm².

Com isto, conclui-se a definição de cabos e proteções do ponto de vista de oferecer segurança contra sobrecorrentes.