Agosto 19, 2019

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O que é o dispositivo de proteção de surto (DPS) e como utilizá-lo num sistema FV

O que é o dispositivo de proteção de surtos?

O dispositivo de proteção de surtos (DPS) é um equipamento de proteção elétrica essencial nas instalações elétricas. O DPS é um dispositivo ligado entre as fases  e o aterramento de proteção e tem a função de proteger a instalação na ocorrência de surtos causados por descargas atmosféricas.

O DPS funciona através da variação da impedância entre dois pontos, ou seja, entre a fase o terra. Em situações normais o DPS se comporta como um circuito aberto, sendo praticamente invisível na instalação. Quando um surto de tensão é presenciado na instalação o DPS torna-se um circuito fechado desviando a corrente do condutor com sobretensão para o aterramento, diminuindo a tensão percebida pelos outros equipamentos conectados no circuito.

Os surtos de tensão podem ser causados por descargas atmosféricas, descargas diretas, descargas indiretas ou manobras na rede. As descargas elétricas e os fenômenos que causam a sobretensão em um circuito apresentam curvas de tensão e corrente de descarga características.

Figura 1. Curva de tensão causada por descargas atmosféricas e manobras na rede.

Figura 2. Comportamento do surto de tensão durante o funcionamento do DPS.

As descargas atmosféricas têm tensão na ordem de centenas de milhares de volts e corrente na ordem de 30 kA. A curva que melhor representa a onda de corrente causada por esse tipo de descarga é denominada 10/350, onde o número 10 se refere aos 10 microsegundos de tempo de subida da curva e 350 denota os 350 microsegundos que a corrente leva para atingir 50% da intensidade de pico inicial. O DPS apropriado para barrar os efeitos da elevação de tensão causados por essa corrente são classificados como Tipo 1.

Figura 3. Curva de corrente do tipo 10/350.

As descargas diretas são aquelas causadas pela captação de um raio por um sistema de para-raios. Como a corrente que o sistema de para-raios conduz é alta, há o surgimento de uma tensão igualmente elevada, que pode ser compartilhada ao sistema elétrico do edifício através de algum ponto de conexão em comum ou por indução magnética. Este tipo de descarga também possui curva de onda de corrente 10/350.

 

Figura 4. a) Sobretensão causada por descarga atmosférica em sistema de pára-raios b) Sobretensão vinda pela rede c) Tensão induzida por descarga atmosférica próxima d) Tensão induzida por acoplamento magnético do circuito.

Já os surtos de tensão e corrente provenientes da rede elétrica ou induzidos por descargas elétricas mais distantes têm um comportamento de onda de 8 microssegundos de subida e 20 microssegundos de descida, recebendo o nome de 8/20. O DPS apropriado para conter os pulsos de tensão causados por esta curva característica é o do Tipo 2.

Figura 5. Curva de corrente com comportamento 8/20, que requer o uso de DPS Tipo 2.

O DPS do Tipo 3 é adequado para curvas de surto 1,2/50 e costuma ser alocado em equipamentos com maior sensibilidade a sobretensão ou equipamentos terminais em que o usuário corra risco de choque elétrico. As sobretensões que esse dispositivo protege podem ser causadas por conexão e desconexão de cargas, atuação de banco de capacitores, curtos-circuitos e variações indesejadas de tensão vindas da rede elétrica externa.

Caracterização 

Não é possível utilizar DPS para circuitos de corrente alternada em circuitos de corrente contínua e vice-versa. O isolamento interno dos componentes para dispositivos próprios para corrente alternada não é suficiente para garantir uma boa isolação quando utilizado em corrente contínua. Essa falta de isolação pode levar a arcos elétricos dentro do dispositivo, podendo causar queima do componente ou até um incêndio do mesmo.

Figura 6. DPS próprio para CA utilizado em circuito CC. O dispositivo não foi capaz de manter a isolação interna.

Devido à sua construção interna, o DPS pode falhar no final de sua vida útil, causando um curto-circuito entre as fases protegidas e o aterramento. Para evitar esse curto-circuito, alguns dispositivos contêm um fusível ou mini-disjuntor interno, que atuará caso essa falha ocorra.

As informações sobre as grandezas elétricas de operação e proteção encontradas num DPS são:

  • 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 potência 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 rearmado.

Obrigatoriedade de uso

A norma brasileira ABNT NBR 5410 - Instalações elétricas de baixa tensão - rege os sistemas elétricos que possuem tensão alternada até 1000 V ou tensão contínua até 1500 V. Todas as instalações elétricas que se enquadrem dentro do escopo da norma devem seguir as obrigatoriedades nela previstas. A norma prevê que se deve buscar proteção para os humanos, animais e bens que possam se danificar em eventos de sobretensão.

Os sistemas solares fotovoltaicos possuem por definição massas metálicas e condutores de energia expostos ao tempo e são classificados de acordo com a norma NBR 5410 como risco de descarga atmosférica AQ3, conforme a tabela 15 abaixo. 

A Seção 5.4.2 da norma prevê a obrigatoriedade de dispositivo de proteção de sobretensão transitória para circuitos classificados como AQ3 e que os mesmos devem ser protegidos por DPS ou dispositivo equivalente.

 

A norma também determina qual tipo de alocação de DPS deve ser feita a partir das características de aterramento e neutro da instalação elétrica.

Um exemplo de ligação de um DPS em um quadro elétrico é mostrado abaixo.

Figura 7. Neste exemplo, um circuito monofásico está conectado ao DPS através do condutor de fase e de neutro. O DPS descarregará qualquer surto de tensão através do condutor de aterramento (linha tracejada verde e amarela). O circuito segue então pelo disjuntor para ser distribuído pela instalação.

Coordenação e seletividade

Uma proteção elétrica completa prevê a coordenação e a seletividade de atuação dos DPS. A estratégia adotada para dissipar a energia contida num surto elétrico antes que o mesmo atinja os equipamentos a serem protegidos é combinar os DPS de tipos 1, 2 e 3 de maneira a permitir que cada um deles atue na ordem correta. 

Essa combinação tipicamente ocorre com o DPS de Tipo 1 sendo conectado na entrada de energia do edifício. O DPS de Tipo 2 é alocado para cada quadro de distribuição secundário e o de Tipo 3 é alocado em cada equipamento sensível que necessite de proteção. O DPS de Tipo 1 pode ser substituído por um DPS do Tipo 1+2.

Figura 8. Ilustração do efeito de proteção de um conjunto de protetores de surto dimensionados corretamente.

A figura anterior mostra que caso ocorra um surto de tensão, o DPS de Tipo 1 deve atuar primeiro, diminuindo a  tensão que o DPS de Tipo 2 receberá. Da mesma forma, a atuação do DPS de Tipo 2 ocorre antes da atuação do DPS de Tipo 3, diminuindo a tensão na qual o DPS de Tipo 3 estará sujeito. A última etapa de redução de tensão ocorre no DPS de Tipo 3, protegendo assim o equipamento mais sensível. Em cada uma dessas etapas a energia envolvida no surto de tensão foi dissipada para o aterramento de proteção.

Para que haja a perfeita coordenação entre os dispositivos DPS, deve-se respeitar o tempo de resposta para acionamento de cada dispositivo, de tal forma que o DPS mais distante da carga deve atuar primeiro do que o DPS mais próximo da carga. Essas informações são divulgadas pelos fabricantes de DPS.

Tabela 1. Informações técnicas de DPS próprio para sistemas FV. Nota-se o tempo de atuação do dispositivo. Fonte: Datasheet do DPS próprio para sistemas solares DGM PV2 da fabricante Dehn.

A norma NBR 5410 não obriga o uso do DPS do Tipo 1 para instalações sem SPDA.

Considerações sobre sistema de proteção de descarga atmosférica e DPS

A norma sobre sistemas de proteção de descargas atmosféricas (SPDA) NBR 5419 define qual o tipo de DPS correto para a instalação baseado na distância ‘s’ do condutor de descida de descarga atmosférica e dos outros circuitos da instalação. Com base na distância a norma recomenda o uso de DPS do Tipo 1, do Tipo 1+2 ou do Tipo 2. Os sistemas SPDA para instalações fotovoltaicos serão detalhados em um artigo futuro do Canal Solar.

Dimensionamento de DPS para sistema fotovoltaico

O uso de DPS em sistemas fotovoltaicos tem como objetivo evitar que a descarga atmosférica direta ou indireta cause efeitos nefastos na instalação. Para a proteção completa dos equipamentos deve haver pelo menos um DPS entre o arranjo fotovoltaico e o inversor e pelo menos um DPS entre o inversor e a rede elétrica. Essa topologia protege o inversor tanto de descargas no arranjo fotovoltaico como sobretensões advindas da rede externa à instalação.

O DPS localizado entre o arranjo e o inversor tem que ser próprio para operação em tensão contínua. Para diminuir o efeito de corrente induzida por descarga atmosférica o laço formado pelo cabeamento dos módulos deve ser mínimo. O DPS que protege o inversor tanto do lado CA como do lado CC não pode estar a mais de 10 metros do inversor, pois no evento de uma descarga atmosférica poderá surgir corrente induzida no circuito entre a proteção e o equipamento. Vale lembrar também que a norma proíbe que se misture circuitos CA e CC no mesmo quadro. Devemos ter um quadro somente pra CA e outro somente para CC.

Como tanto o pólo positivo quanto o negativo do arranjo fotovoltaico podem carregar corrente induzida por descarga atmosférica, ambos precisam estar conectados a um DPS. Já existem no mercado dispositivos DPS próprios para sistemas fotovoltaicos, compatíveis com suas tensões típicas de operação e com terminais elétricos para a conexão dos dois pólos no mesmo dispositivo.

Figura 10. A indução de corrente através do campo magnético depende da área total do circuito. Por isso, para minimizar os impactos que uma descarga atmosférica pode causar deve-se minimizar a área entre os cabos.

Exemplo de aplicação do DPS

Um sistema contendo 2 strings de 10 painéis de 330 Wp está conectado a um inversor de  6 kW. O inversor é monofásico, com tensão de entrada de 220 V. 

Analisando o datasheet do painel vemos que a associação de 10 módulos em série produz uma tensão máxima de 469,8 V. Portanto, devemos buscar um DPS com Uc maior que esse valor.  O tipo do DPS selecionado depende da existência de um SPDA e da distância de separação. Neste exemplo vamos considerar que o sistema está instalado em um edifício sem SPDA. Para esse tipo de edifício o DPS recomendado para o sistema fotovoltaico é do Tipo 2.

Tabela 2. folha de dados da família P6C-36. Fonte: BYD

É necessário fazer a proteção de sobretensão nas duas strings, portanto a string box contará com 2 dispositivos DPS. Para proteger o inversor, será selecionado um DPS próprio para circuitos CA e com Uc maior do que a tensão de saída do inversor, que é de 220V, conforme especificado na folha de dados abaixo. Para a proteção do inversor pelo lado CA, o DPS deve ser do Tipo 2 ou do Tipo 1+2. Com isso, o inversor e a instalação estarão protegidos de sobretensões.

Tabela 3 .Folha de dados da família de inversores Sunny Boy, mostrando as tensões máximas suportadas pelo inversor.


 

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Last modified on Segunda, 19 Agosto 2019 10:13
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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