Novembro 13, 2019

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Ensaio de resistência de isolamento em sistemas fotovoltaicos

Autoria original de João Paulo de Souza, ECORI Energia Solar
Revisado pela redação do Canal Solar

Introdução

O ensaio de resistência de isolamento é um teste de segurança elétrica que tem o objetivo de verificar se um sistema fotovoltaico oferece isolamento adequado entre seus subsistemas e o ambiente externo. Desta forma, também é possível verificar a integridade de condutores e equipamentos, além de detectar degradação e falhas no isolamento dos condutores.

Figura 1: Instalador de sistemas fotovoltaicos utilizando um medidor de resistência de isolamento.

O ensaio de resistência de isolamento elétrico é uma das várias maneiras de detectar ou prever a falha de condutores em um sistema fotovoltaico. O teste “Megger”, como o ensaio de isolamento costuma ser chamado, é uma marca registrada de um produto de uma empresa que foi pioneira nesse tipo específico de teste [1]. Genericamente, o equipamento utilizado neste teste chama-se megôhmetro. Esse equipamento é capaz de medir a resistência elétrica através da injeção de um pulso de corrente sobre dois terminais de um circuito elétrico. Megôhmetros podem fornecer tensões CC elevadas (de 500 V a 15 kV, dependendo do equipamento). Resistências de isolação adequadas são em torno de 1 Ma 10 MW, dependendo da aplicação. 

O que é uma falta de isolamento?

A falta de isolamento ocorre quando duas ou mais partes de um sistema com potenciais (tensões) diferentes entram em contato entre si ou com uma parte aterrada. Isso ocorre normalmente por falha de isolamento. Por exemplo, uma falha desse tipo pode ocorrer quando dois condutores desencapados encostam um no outro ou quando um condutor entra em contato com um encapsulamento metálico ligado à terra.


 Figura 2: Resistência de isolamento dos condutores potencialmente comprometida.

Uma falta pode ser direta ou indireta. Uma falta direta ocorre quando as partes encostam e efetivamente fazem contato físico. Uma falta indireta ocorre quando não há contato físico entre os condutores e a conexão entre as partes é feita por um arco elétrico. Quando uma das partes envolvidas na falta é o terminal terra, falamos em falta para a terra. Um curto-circuito é uma falta direta entre condutores vivos, isto é, fases e neutro. Uma falta para a terra pode resultar de uma falha de isolamento, sendo que faltas para a terra e arcos elétricos são as razões mais comuns para incêndios em arranjos fotovoltaicos [1].
 
Em sistemas fotovoltaicos que utilizam um inversor sem transformador os circuitos CC são isolados da terra. Módulos com defeito de isolamento, condutores expostos ou uma falha interna do inversor podem causar uma fuga de corrente CC no terra (terra de proteção). Essa falha também é chamada de falha de isolamento [2].
 
corrente de fuga é a corrente que, por imperfeição da isolação, flui para a terra ou para elementos condutores estranhos à instalação. É importante observar que na prática sempre existe, em qualquer circuito, uma corrente de fuga, uma vez que não há, rigorosamente falando, isolantes perfeitos. No entanto, em condições normais as correntes de fuga são extremamente baixas (só detectáveis por amperímetros muito sensíveis) e não chegam a causar problemas à instalação [3].
 
É necessário testar a resistência de isolamento para garantir a segurança elétrica, mostrando isolamento suficiente entre os componentes condutores de eletricidade e a estrutura do módulo fotovoltaico, ou entre o módulo fotovoltaico e o ambiente externo. Um isolamento inadequado pode ocasionar choques elétricos e outros perigos.
 
Ensaios de resistência de isolamento são usados para verificar e demonstrar a integridade da fiação elétrica e dos equipamentos. Esses ensaios também podem ser usados para avaliar a degradação ou danos no isolamento da fiação e localizar falhas dentro de arranjos fotovoltaicos e outros circuitos do sistema. Os ensaios de resistência de isolamento são um elemento importante na etapa de comissionamento, nos testes de aceitação e na manutenção preventiva para sistemas fotovoltaicos.
 
 Figura 3: Danos em sistemas fotovoltaicos causados por falhas de isolamento.

Identificando uma falha de isolamento

Toda vez que um inversor entra em modo operacional e começa a produzir energia, a resistência entre o terra e os condutores de corrente contínua é verificada. O inversor exibe um erro de isolamento quando detecta uma resistência de isolamento combinada total inferior a um determinado valor.

Uma falha de isolamento pode desaparecer e ocorrer novamente após um curto período, por exemplo, quando causada pela umidade da manhã. Portanto, recomenda-se solucionar o problema assim ocorrer, antes que o mesmo possa desaparecer temporariamente.

Os condutores elétricos geralmente são isolados com uma cobertura externa para protegê-los de entrar em contato com pessoas, equipamentos ou outros condutores. Quando os condutores são expostos nos pontos de terminação ou nos barramentos, o espaçamento dos terminais e as lacunas de ar fornecem propriedades isolantes.

A qualidade do isolamento do condutor pode ser determinada através da medição de sua resistência. A resistência de isolamento é determinada aplicando uma tensão de teste constante a um condutor e medindo o fluxo de corrente entre o condutor e o terra (ou entre outros condutores desenergizados do sistema). Este ensaio é análogo ao teste de pressão em um sistema de hidráulico para detectar vazamentos de água.

O que dizem as normas?

A norma técnica ABNT NBR 5410 - Instalações elétricas de baixa tensão [4] determina que os ensaios de resistência de isolamento da instalação elétrica devem ser realizados quando pertinentes. O item 7.3.3 da norma determina que a resistência de isolamento deve ser medida entre cada condutor vivo e a terra e entre os condutores vivos, tomados dois a dois.

Figura 4: Medidor de resistência de isolamento (megôhmetro).

No caso de sistemas fotovoltaicos não há o que se discutir em relação à pertinência dos ensaios de resistência de isolamento. A norma técnica ABNT NBR 16274 - Sistemas fotovoltaicos conectados à rede – Requisitos mínimos para documentação, ensaios de comissionamento, inspeção e avaliação de desempenho [5] determina que deve ser aplicado o ensaio de resistência de isolamento dos circuitos CC. Para a elaboração da norma ABNT NBR 16274 tomou-se como base o texto da norma IEC 62446-1 [6].
 
As subseções 6.7 e 8.3 da ABNT NBR 16274 são dedicadas exclusivamente a este tema. Na subseção 6.7 estão descritos o método e os procedimentos do ensaio de resistência de isolamento do arranjo fotovoltaico, além das medidas de segurança a serem seguidas. Enquanto que a subseção 8.3 descreve um procedimento de ensaio de resistência de isolamento úmido, o qual avalia o isolamento elétrico do arranjo FV (conjunto de módulos) sob condições operacionais úmidas.
   Figura 5: Medidor de resistência de isolamento.

Quando fazer um ensaio de resistência de isolamento?

À medida que o isolamento dos condutores se degrada, sua resistência de isolamento diminui. Quanto maior o seu valor de resistência de isolamento, melhor a qualidade do isolamento do condutor. Correntes de fuga excessivas podem representar risco de choque elétrico, danificar equipamentos e prejudicar o desempenho do sistema. Além disso, uma falha de aterramento pode resultar de uma falha no isolamento que isola os condutores que transportam corrente do contato com superfícies condutivas aterradas.
 
Danos ao isolamento dos condutores podem ser resultado de uma instalação inadequada ou de fatores ambientais, incluindo impactos ou vibração, animais ou insetos, ou deterioração provocada pela temperatura ou pela luz solar, ou outras condições adversas. Devido à degradação dos módulos fotovoltaicos e dos sistemas de fiação ao longo de muitos anos de exposição direta às intempéries, os painéis fotovoltaicos mais antigos terão, naturalmente, menor resistência de isolamento do que quando eram novos. Os ensaios de resistência de isolamento são recomendados em um intervalo de manutenção de 3 anos ou com mais frequência, conforme as circunstâncias exigirem. 
 Figura 6: Conectando um medidor de resistência de isolamento ao módulo fotovoltaico.
 
Já um ensaio de resistência de isolamento úmido é normalmente realizado quando os resultados de um ensaio em condições secas são inconclusivos ou questionáveis. Este ensaio também é normalmente realizado quando existe a suspeita de falhas de isolamento devido a defeitos de fabricação ou de montagem do arranjo FV.
 

Como fazer um ensaio de resistência de isolamento?

Existem dois métodos para realizar um ensaio de resistência de isolamento:
 
Método 1: Curto-circuitar os terminais positivo e negativo da string fotovoltaica (conjunto de módulos em série) antes de medir a resistência de isolamento entre o ponto de curto-circuito e o terra.
 
Método 2: Medir a resistência de isolamento entre o eletrodo positivo e o terra, e depois entre o eletrodo negativo e o terra separadamente, sem curto-circuito.
 
Ambos os métodos estão descritos na norma IEC 62446-1, portanto ambos podem ser usados. No entanto, quando aplicados às strings fotovoltaicas, ambos os métodos apresentam problemas que consideramos a seguir.
 
Um módulo fotovoltaico comporta-se como uma fonte de corrente limitada, portanto não é um problema -- do ponto de vista elétrico -- realizar o curto-circuito nos terminais positivo e negativo. Uma vez que os terminais estejam em curto, a resistência de isolamento pode ser medida corretamente usando-se medidores de resistência de isolamento (megôhmetros).
 
No entanto, deve-se prestar muita atenção ao curto-circuitar os terminais de strings fotovoltaicas. Esse método apresenta uma forma precisa, porém perigosa, de medir a resistência de isolamento. A melhor alternativa quando se usa o método de curto-circuito é medir a resistência de isolamento durante a noite, quando os módulos fotovoltaicos estão desligados.
 
O segundo método de testar a resistência de isolamento não emprega o curto-circuito dos terminais. Com esse método o risco de choque elétrico será minimizado. Por outro lado, com esse último teste corre-se o risco de obter valores de medição incorretos devido ao método de teste usado pelos medidores de resistência de isolamento. Isso é causado pelo potencial elétrico existente no módulo fotovoltaico. Os medidores de resistência de isolamento em geral são projetados para medir um objeto que não tem potencial elétrico. Quando o potencial elétrico está presente, o valor medido pode ser maior ou menor que o valor real, dependendo das condições de medição.  
Figura 7: Medidor de resistência de isolamento.
 
Em resumo, quando se mede a resistência de isolamento entre o eletrodo positivo e o terra, o medidor detectará uma corrente mais alta devido à corrente adicional gerada pelo módulo fotovoltaico e calculará uma resistência de isolamento menor do que o valor real, resultando em um falso negativo.
 
Em contrapartida, quando se mede a resistência de isolamento entre o eletrodo negativo e o terra, as direções da corrente medida e da corrente gerada pelo módulo estarão opostas uma à outra, fazendo com que parte da corrente medida seja cancelada. Como resultado, a resistência de isolamento calculada será maior do que o valor real, resultando em um falso positivo [7].
 

Considerações Finais

Atualmente os fabricantes de módulos fotovoltaicos usam máquinas avançadas de ensaio que também testam a resistência de isolamento do módulo. Como esse é um importante aspecto de segurança do módulo FV, de acordo com a norma IEC 61215, o ensaio de resistência de isolamento precisa ser instalado na linha de montagem de cada fabricante.
 
Antes de testar produtos e instalações específicos, incluindo inversores e strings de módulos fotovoltaicos, confirme o procedimento de teste junto ao fabricante, de modo a não anular as garantias. Alguns fabricantes de módulos explicitamente desautorizam testes de isolamento. No entanto, os locais mais comuns de faltas à terra em sistemas fotovoltaicos estão nos módulos e seus condutores [1].

Referências

[1] National Renewable Energy Laboratory – NREL, Field Guide for Testing Existing Photovoltaic Systems for Ground Faults and Installing Equipment to Mitigate Fire Hazards, October, 2015. Available electronically at SciTech Connect http:/www.osti.gov/scitech.
[2] SolarEdge, Application Note – Isolation Fault Troubleshooting, December, 2017.
[3] Prysmian Group, Manual Prysmian de Instalações Elétricas, 2010.
[4] Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT NBR 5410:2004 - Instalações Elétricas de Baixa Tensão, 2004.
[5]  Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT NBR 16274:2014 - Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede — Requisitos Mínimos para Documentação, Ensaios de Comissionamento, Inspeção e Avaliação de Desempenho, 2014.
[6] International Standard, IEC 62446-1:2016 - Photovoltaic (PV) Systems - Requirements for Testing, Documentation and Maintenance - Part 1: Grid Connected Systems - Documentation, Commissioning Tests and Inspection, 2016.
[7] Industrial Automation Asia, Testing the Insulation Resistance of Photovoltaic Panels, September, 2018.

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Last modified on Domingo, 30 Junho 2019 18:48
João Paulo de Souza

Tem Mestrado em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), graduação em Engenharia Elétrica Industrial e curso técnico profissionalizante em Eletrotécnica Industrial pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão (IFMA). É engenheiro responsável pela Ecori Energia Solar e especialista em sistemas fotovoltaicos com tecnologia MLPE (module-level power electronics). Membro do Comitê Técnico Brasileiro de Sistemas de Conversão Fotovoltaicas de Energia Solar ABNT/CB-003. Ex-sócio e fundador da LUNION Energia e Automação. Engenheiro de sistemas aeroespaciais na Binacional Alcântara Cyclone Space (ACS). Foi pesquisador colaborador no Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE). Trabalhou na montagem do Laboratório de Identificação, Navegação, Controle e Simulação (LINCS) no IAE.

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