Outubro 15, 2019

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Entenda as especificações básicas dos componentes da String Box

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

Este artigo tem como objetivo detalhar os componentes que pertencem a uma string box.

A string box

A norma brasileira de instalações elétricas de baixa tensão - NBR 5410 - e a norma brasileira sobre sistemas fotovoltaicos - NBR 16690 - preveem 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. Os sistemas fotovoltaicos estão inclusos na cobertura das normas, portanto devem seguir os mesmos princípios básicos.

A string box é o componente de proteção da parte CC do sistema fotovoltaico. Ela conecta os cabos vindos dos módulos fotovoltaicos ao inversor, enquanto fornece proteção contra sobretensão e sobrecorrente e permite o seccionamento do circuito. Os elementos básicos de uma string box são:

  • Invólucro - onde serão alocados os dispositivos de proteção e as conexões elétricas
  • Dispositivo seccionador - podendo ser implementado com chave seccionadora ou disjuntor
  • Dispositivo de proteção contra sobretensão - DPS
  • Dispositivo de proteção contra sobrecorrente -  disjuntor ou fusível
  • Cabos CC

Figura 1. Exemplo de string box para sistemas grandes (20 circuitos de entrada, 1 circuito de saída e sistema de monitoramento de corrente) e sistemas pequenos (1 circuito de entrada, 1 circuito de saída).

Componentes

Invólucro

O invólucro é a “caixa” onde os dispositivos de proteção e as conexões elétricas estarão alocados. O invólucro tem como função proteger os dispositivos e as conexões da ação das intempéries e proteger o usuário contra choques elétricos. O invólucro pode ser classificado de acordo com sua tolerância de ingressão de poeira e água. O sistema de classificação IP determina um número que reflete a proteção do invólucro. A tabela com as definições da proteção IP é mostrada abaixo. 

Tabela 1. Esquema de determinação do grau de proteção IP.

Os invólucros ainda podem ser classificados como próprios para ambiente interno (proteção mínima IP2X) ou ambiente externo (proteção mínima IP55). A  ABNT NBR IEC 60529 é a norma que caracteriza os invólucros próprios para circuitos elétricos.

A norma de instalações 5410 também prevê que não se deve misturar circuitos CA e CC no mesmo invólucro. Recomenda-se que a taxa máxima de ocupação do invólucro em volume seja de até 50%. Essa taxa limita o efeito de sobreaquecimento ao se concentrar os dispositivos em um ambiente fechado.

Alguns exemplos de invólucros são mostrados abaixo.

Figura 2. Invólucros com classificação IP 56.

Chave seccionadora

A chave seccionadora é um dispositivo para conexão e desconexão da parte CC do sistema fotovoltaico. O seccionamento seguro do sistema é aquele no qual não há risco de choque elétrico para o usuário e nem risco de incêndio causado por faíscas no instante da desconexão. As chaves seccionadoras tem como característica técnica:

  • Tensão de isolamento / operação: é a tensão máxima entre os pontos de conexão elétricos que a chave suporta.
  • Corrente de operação: é a máxima corrente que percorre os elementos elétricos da chave.
  • Especificação de uso: define se a chave é própria para sistemas CA ou CC.
  • Número de pólos: é a quantidade de condutores que a chave pode seccionar.
  • Suportabilidade ao impulso: a chave deve ser capaz de suportar um impulso elétrico na posição em aberto conforme as especificações da tabela 50 da NBR 5410.

Para cada valor de tensão de operação da chave, há uma corrente máxima de operação. Os fabricantes disponibilizam essa informação no folheto técnico do produto.

Para que não haja o faiscamento durante a operação normal da chave, os limites de tensão, corrente e aplicação devem ser respeitados.

Figura 3. Chave seccionadora para dois pólos.

Algumas chaves podem seccionar simultaneamente vários condutores, e podem então assumir uma característica de “chave geral” da string box.

Dispositivo de proteção contra sobretensão - DPS

O DPS é o dispositivo que diminui os efeitos da sobretensão no circuito. A função do DPS na string box é de proteger o inversor contra sobretensões vindas do circuito CC. Os fenômenos que podem causar as sobretensões são: descargas atmosféricas no sistema de SPDA e descargas atmosféricas próximas que induzam corrente no circuito CC. O DPS é caracterizado de acordo com as grandezas abaixo.

  • Tipo: O DPS pode ser classificado como tipo 1, 2 ou 3. O DPS do tipo 1 é próprio para descargas atmosféricas diretas, o DPS tipo 2 é próprio para sobretensões induzidas por descargas atmosféricas próximas e distúrbios na rede elétrica. O DPS tipo 3 é próprio para proteção de equipamentos elétricos mais sensíveis.
  • Uc: Máxima tensão de operação contínua. Caracteriza a máxima tensão de operação que o DPS suporta sem que haja atuação da sua proteção de sobretensão.
  • Up : Nível de tensão de proteção. É a tensão máxima entre os terminais do DPS no instante em que ele está ativo e conduzindo corrente de descarga igual a In ou Iimp. Ou seja, é a tensão máxima que os circuitos à jusante (ou seja, que estão depois) do DPS recebem.
  • Iimp: Corrente nominal de proteção para DPS tipo 1. É a corrente máxima de proteção que um DPS tipo 1 pode desviar para o aterramento de proteção . Os valores de Iimp ocorrem tipicamente em descargas elétricas diretas.
  • In: Corrente nominal de proteção para DPS dos Tipos 2 e 3. É o valor máximo de corrente que o DPS do Tipo 2 desvia para o aterramento de proteção. O DPS deve suportar essa corrente por no mínimo 19 ativações.
  • Icc ou Isc: Esta é a máxima corrente de curto-circuito que um DPS com fusível interno ou minidisjuntor suporta. No caso de uma falha no DPS, este deve ser capaz de conduzir a corrente de curto-circuito até que esta seja interrompida pelo próprio DPS, ou por outra proteção existente no circuito..
  • IMAX: É a máxima corrente que um DPS pode desviar para o aterramento de proteção. A capacidade de desviar corrente quando a mesma atinge IMAX só ocorre uma vez. O DPS se danifica e não pode ser mais reutilizado.

Para saber mais sobre a proteção contra sobretensão, leia nosso artigo sobre DPS no link: O que é DPS e como é usado nos sistemas fotovoltaicos .

Figura 4. DPS típico para sistemas fotovoltaico.

Fusível

O fusível é um dispositivo de proteção contra sobrecorrente e corrente de curto-circuito que tem como princípio de funcionamento a fusão de um elemento condutor quando a corrente ultrapassa o valor nominal do mesmo. O fusível tem como característica técnica:

  • Dimensões: existem diversas dimensões de fusíveis, que são consequência do seu tipo de utilização, capacidade de interrupção de corrente e corrente nominal
  • In: corrente nominal. É a corrente utilizada para cálculos de proteção de sobrecorrente.
  • Corrente máxima de interrupção: É a maior corrente que o fusível é capaz de bloquear. Valores acima desse limite não garantem o bloqueio da corrente e ainda põe o fusível em risco de incêndio.
  • Tensão de operação: é a maior tensão que o fusível opera sem danos e riscos de mal-funcionamento.
  • Curva de atuação: é a curva que mostra o tempo em que o dispositivo demora para atuar para cada valor de corrente acima da nominal.
  • Tipo: especifica para qual circuito/utilização o fusível é apropriado. A tabela abaixo mostra os tipos de fusível mais comuns.
  • Corrente de não-fusão: máxima corrente de sobrecarga acima do valor da corrente nominal na qual o fusível não atuará.
  • Corrente de fusão em tempo convencional: sobrecorrente que garante a atuação do fusível dentro da especificação de tempo convencional (1 ou 2 horas)

Tabela 2. Tipo de fusível.

A curva que relaciona o tempo de atuação de um determinado fusível com a corrente que flui pelo mesmo é mostrada abaixo:

Figura 5. Regiões de operação de um fusível típico.

Figura 6. Conjunto de fusível e porta-fusível. O porta-fusível protege o usuário contra choques causados por contatos acidentais.

O fusível não atuará enquanto estiver operando na região em azul. A região em vermelho indica os pontos de operação que causam a atuação do fusível. Para uma corrente de 200% o valor nominal, por exemplo, o fusível atuará entre 50 e 200 segundos. Para o fusível descrito no gráfico, a corrente de não-fusão é de 150% a corrente nominal.

Os fusíveis próprios para circuitos fotovoltaicos são do tipo gPV e apresentam como característica a proteção contra corrente de curto-circuito e sobrecorrente. A designação PV se refere a capacidade dos fusíveis de operar em corrente CC com valores de tensão típicos de sistemas fotovoltaicos. Os fusíveis do tipo gPV ainda apresentam corrente de não-fusão de 1,13 vezes a corrente nominal e corrente de fusão em tempo convencional (1 hora) de 1,35 vezes a corrente nominal. A mínima corrente máxima de interrupção de um fusível gPV é de 10kA.

Disjuntor

O disjuntor é um dispositivo termomagnético de proteção contra sobrecorrente e corrente de curto-circuito, podendo ser utilizado também como elemento seccionador. O princípio de funcionamento do dispositivo ocorre com o aquecimento de uma chapa bimetálica que  deforma com a temperatura e uma bobina que gera um campo magnético. A partir de um determinado limite a deformação da chapa bimetálica e a força eletromagnética gerada pela bobina causarão a desconexão dos contatos internos do disjuntor. Tanto o calor gerado quanto a força eletromagnética são proporcionais à corrente que flui no disjuntor. Os disjuntores podem ser caracterizados de acordo com as grandezas abaixo:

  • In: Corrente nominal de operação. Essa é a corrente máxima em que o disjuntor opera sem atuar a sua proteção. Valores acima dessa corrente causarão a ativação da proteção do disjuntor e a desconexão elétrica do circuito.
  • Icu: Capacidade máxima de interrupção de corrente de curto-circuito. É a máxima corrente que o disjuntor consegue atuar seccionando o circuito. Valores acima dessa corrente não garantem o funcionamento da proteção e podem causar risco de incêndio.
  • Curva de atuação: define a característica do tempo de atuação da proteção em relação à intensidade da sobrecorrente.
  • Tensão de operação: define a tensão de operação nominal do disjuntor.
  • Tipo de circuito: define se o disjuntor é próprio para circuitos CA ou CC.
  • Corrente de atuação em tempo convencional: corrente na qual o disjuntor garante a desconexão em 1 hora.

A curva de atuação típica para um disjuntor é mostrada abaixo como exemplo.

Figura 6. Áreas de atuação de um disjuntor típico.

A área em azul é a zona de funcionamento normal do disjuntor. Nessa zona não deverá haver atuação da proteção e seccionamento do circuito. A região em vermelho é a zona em que o disjuntor irá atuar, com o tempo dependendo da proporção entre a corrente que está passando pelo dispositivo e a corrente nominal. Para uma corrente de 10x a corrente nominal, por exemplo, o disjuntor atuará entre 0,01 e 2,5 segundos. Os disjuntores podem substituir o uso de fusíveis em um sistema fotovoltaico. Para tal, o mesmo deve ter corrente de atuação em tempo convencional de 135% a corrente nominal do dispositivo.

O disjuntor do tipo CA não tem a mesma isolação e capacidade de interrupção de arco elétrico do que um disjuntor CC, portanto, não devem ser utilizados na string box.

Cabo CC

A string box recebe os cabos CC vindo dos módulos e disponibiliza para o inversor cabos CC. Portanto, os mesmos cuidados na seleção de um cabo CC para o circuito dos módulos devem ser tomados para a seleção dos cabos CC da string box. O cabo deve conter dupla isolação, ser resistente à radiação UV,  ser capaz de suportar as tensões CC do sistema fotovoltaico (tipicamente 600 a 1500 V) e deve ter condutor de cobre estanhado caso esteja em áreas sujeitas à maresia. A seção do cabo depende do método de instalação, da corrente do circuito, da temperatura ambiente, do agrupamento dos circuitos e, caso enterrado, da resistividade térmica do solo e da temperatura do solo. A determinação da seção transversal do cabo deve seguir as normas NBR 16612, NBR 16690 e NBR 5410.

Figura 7. Tipos de isolamento duplo permitidos pela norma NBR 16690.

Conectores e conexões

As conexões do circuito das strings com a string box pode ser realizada através de conectores MC4 ou através de cabos com terminação em ilhós. Não é permitido realizar a paralelização ou conexão de múltiplos circuitos no borne de um dispositivo da string box se o mesmo não for especificamente designado para tal. Essas conexões devem ser realizadas através de barramentos ou bornes próprios para este fim. A conexão inapropriada de circuitos gera pontos de aquecimento no cabo, dispositivo de proteção e terminais. Os pontos de aquecimento aumentam as perdas do sistema e podem se tornar focos de incêndio. 

Figura 8. Imagem termográfica de conexão com superaquecimento causada por má instalação.

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

Como numa instalação real a temperatura ambiente máxima é limitada, 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 (Voc) 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 .


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Last modified on Domingo, 29 Setembro 2019 19:55
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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