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Proteção contra arco elétrico nos inversores fotovoltaicos

O arco elétrico é um fenômeno temido e indesejado nos sistemas fotovoltaicos

Autor: 15 de dezembro de 2020janeiro 12th, 2021Artigos técnicos
Proteção contra arco elétrico nos inversores fotovoltaicos

O arco elétrico é um fenômeno causado pela passagem da corrente elétrica pelo ar.

Durante sua ocorrência percebe-se um efeito parecido com uma faísca, com forte intensidade luminosa e alta temperatura. O arco elétrico é um fenômeno temido e indesejado nos sistemas fotovoltaicos.

Em virtude dos elevados valores de tensão e da natureza contínua da corrente elétrica das strings fotovoltaicas, o arco elétrico pode formar-se com relativa facilidade em conexões elétricas precárias ou durante a abertura incorreta (sem um dispositivo seccionador apropriado) de um circuito fotovoltaico sob carga.

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Figura 1: O arco elétrico é causado pela passagem de uma corrente elétrica pelo ar. Pode ocorrer em virtude de maus contatos ou do seccionamento incorreto de circuitos em funcionamento

Os arcos elétricos que surgem quando fazemos a desconexão errada ou quando há falhas de isolação ou maus contatos nos cabos e conectores podem causar um rápido aumento na temperatura do local onde o arco se encontra, podendo levar então ao derretimento ou ao incêndio de componentes.

Os arcos elétricos podem ser classificados em 3 tipos: arcos em paralelo, série e ao terra.

Os arcos em paralelo ocorrem quando há um curto-circuito entre o positivo e o negativo do arranjo ou dispositivo, tipicamente causado por danos nos cabos ou cabos soltos dentro da string-box ou em alguma parte do circuito.

O arco em série ocorre quando há a interrupção abrupta de um circuito energizado, como é o caso da desconexão de pares MC4 em carga ou quando existe alguma conexão elétrica defeituosa, com mau contato.

Já o arco de falta à terra ocorre quando um dos cabos do circuito é danificado e entra em contato com as carcaças metálicas conectadas à terra.

O anexo D da norma NBR 16690 mostra os três tipos de arcos elétricos que podem ser encontrados nos circuitos de corrente contínua dos sistemas fotovoltaicos.

Figura 2: Tipos de arcos elétricos (paralelo, série e para a terra) de acordo com o anexo D da norma NBR 16690

A figura a seguir ajuda a entender melhor os conceitos de arco série e arco paralelo dentro de um circuito elétrico. Na imagem à esquerda (Figura 3) percebe-se que o arco elétrico é originado por uma união entre dois pólos diferentes, neste caso causada por uma falha de isolação dos condutores. O arco elétrico é exatamente como um curto-circuito sustentado pela passagem da corrente elétrica pelo ar.

Na imagem à direita (Figura 3) percebe-se que o arco elétrico é causado por uma falha de contato ou uma interrupção causada no condutor elétrico por qualquer motivo. Não existe curto-circuito neste caso. A corrente elétrica continua fluindo normalmente, sem que o efeito do arco possa ser percebido (exceto pelo aquecimento excessivo e pelo incêndio que o arco pode causar).

Figura 3: Arco paralelo (à esquerda) e arco série (à direita). Fonte: Leviton

Arco em paralelo e arco à terra

Ao fazer uma análise elétrica de cada um dos tipos de arco vemos que para cada situação o inversor enxerga um tipo de falha e tem uma ação a ser tomada.

Os arcos à terra, por desviar parte da corrente da string para a terra, são os de mais fácil detecção.

Nesta situação, o inversor detecta o arco assim como um DR (dispositivo residual), isto é, tomando a diferença da corrente de entrada e de saída dos seus terminais CC.

Se a corrente é a mesma medida nos pólos positivo e negativo, não há fuga detectada. Se a corrente não é a mesma, é detectada uma falha de isolação com a terra.

Já o arco paralelo é visto pelo inversor como uma queda brusca da corrente e da tensão. Dependendo da configuração dos sistemas de proteção do inversor, ele pode ser capaz de detectá-lo.

Tanto o arco à terra como o arco paralelo não podem ser impedidos por uma ação do inversor, pois a desconexão do arranjo ao inversor através de alguma chave automática interna, por exemplo, não vai alterar o comportamento elétrico destes arcos de forma a extingui-los (suprimir a tensão ou a corrente do arco).

Ou seja, não há ação a ser tomada pelo inversor nos arcos de falta à terra e paralelo além da notificação de falha.

Um dos principais motivos para os requisitos especiais de cabos e dispositivos fotovoltaicos é justamente para diminuir o risco destes dois tipos de arco.

Cabos e dispositivos com dupla isolação, compatíveis com a exposição do sistema ao tempo, aos níveis de tensão e corrente e com conexões seguras são os melhores métodos para evitar arcos em geral.

Arco em série

O arco em série surge quando um condutor é abruptamente interrompido ou quando existe um mau contato no circuito de corrente contínua.

Por exemplo, um arco pode ocorrer ao se desconectar um conector MC4 ou ao se remover um fusível de uma string-box enquanto o sistema está funcionando.

Pode ocorrer também um arco quando ocorre o rompimento intencional ou acidental de cabos do circuito de corrente contínua ou, o que é mais comum, quando existem maus contatos nas conexões elétricas da string-box ou do inversor.

O arco em série, ao contrário dos outros já apresentados, pode ser extinguido com facilidade, bastando o inversor interromper o fluxo de corrente.

Para interromper o arco o inversor pode se desligar eletronicamente ou pode abrir uma chave interna automática, cessando por completo e rapidamente a corrente elétrica.

O problema com este tipo de arco, apesar de sua extinção ser relativamente simples, é a sua detecção.

O arco em si é caracterizado como a continuidade do fluxo de corrente mesmo na ausência de um trecho do condutor.

Do ponto de vista do circuito elétrico, a corrente flui normalmente mesmo que em algum trecho do circuito esteja ocorrendo um arco elétrico do tipo série. Não há alterações nos valores de tensão ou de intensidade da corrente.

Quando ocorre o arco série o inversor percebe níveis de tensão e corrente compatíveis com os valores de operação normal do sistema. Inclusive, mede-se o mesmo valor da corrente que “entra” e da corrente que “sai” do inversor, não sendo possível a detecção pelo dispositivo DR interno do inversor.

O arco elétrico é um fenômeno com aquecimento intenso, que causa a ionização do ar em sua volta.

Esta ionização altera a resistência equivalente do espaçamento de ar entre os condutores e também é capaz de derreter o condutor e sua isolação.

Do ponto de vista elétrico, o circuito com a presença de arco elétrico apresenta pequenas oscilações de resistência equivalente e do espaçamento de ar.

Além dos efeitos da ionização do ar, tem-se uma diferença de potencial entre os condutores expostos, criando o equivalente a um capacitor que, ao interagir com a indutância representada pelo restante da linha, efetivamente forma um oscilador RLC.

Este fenômeno faz surgir um comportamento oscilatório de alta frequência (da ordem de dezenas a centenas de quilohertz) que é efetivamente um componente de corrente alternada (CA) de alta frequência somado à corrente originalmente contínua.

Esse fenômeno de geração de corrente alternada de alta frequência inclusive foi utilizado nos primeiros transmissores de rádio, nos quais um arco elétrico criado intencionalmente recebia um sinal de corrente e de tensão de um telégrafo, que então era transformado em um sinal de frequência de rádio.

Figura 4: O sinal do telégrafo modulava a intensidade do arco elétrico, que por sua vez emitia ondas de rádio originadas na oscilação descrita acima

O sistema de proteção AFCI

A sigla AFCI tem origem na expressão em inglês “arc fault circuit interrupter”, que significa em tradução livre: “interruptor de circuito em falha de arco elétrico”.

Dispositivos AFCI não são obrigatórios e são ainda praticamente desconhecidos no Brasil, mas já estão ganhando espaço em alguns países. Podem ser inseridos como componentes nas instalações elétricas ou podem ser embutidos em inversores e outros tipos de equipamentos.

Na figura abaixo vemos um exemplo de dispositivo AFCI que tem o aspecto de um disjuntor elétrico, podendo ser acrescentado aos quadros elétricos e string-boxes. Existem no mercado dispositivos AFCI para corrente contínua e para corrente alternada.

Figura 5: Dispositivo AFCI (interruptor de arco elétrico) que pode ser montado como um disjuntor comum em um quadro elétrico ou string-box. Fonte: Eaton

Figura 5: Dispositivo AFCI (interruptor de arco elétrico) que pode ser montado como um disjuntor comum em um quadro elétrico ou string-box. Fonte: Eaton

Os dispositivos AFCI já são obrigatórios pelo NEC (National Electrical Code) dos EUA desde 1999, tendo sofrido aumento de sua abrangência ao longo dos anos. De acordo com o NEC 2020 o AFCI é obrigatório em praticamente todas as dependências de uma residência.

Enquanto os dispositivos AFCI são praticamente desconhecidos no mercado brasileiro, além de não serem exigidos por nenhuma norma técnica nacional, alguns inversores fotovoltaicos já incorporam a função AFCI, como é o caso dos equipamentos da fabricante Ginlong Solis.

O sistema AFCI embutido nos inversores é projetado para detectar arcos série na string-box ou no cabeamento de corrente contínua.

Na ocorrência de um arco série o sistema de AFCI envia um alerta para a CPU (unidade central de processamento) do inversor e interrompe o funcionamento do equipamento, o que faz cessar imediatamente o fluxo da corrente e proporciona a extinção do arco elétrico.

O arco série é o mais comum e mais propenso a ocorrer no lado de corrente contínua dos sistemas fotovoltaicos. A presença de dispositivos AFCI nos inversores é muito benéfica e desejável, aumentando sobremaneira a segurança das instalações e evitando incêndios em sistemas fotovoltaicos.

Figura 6: Inversor da série 5G da Solis, disponível no Brasil, que possui sistema AFCI integrado para a detecção de arco elétrico, sendo capaz de evitar incêndios. Fonte: Ginlong Solis

Figura 6: Inversor da série 5G da Solis, disponível no Brasil, que possui sistema AFCI integrado para a detecção de arco elétrico, sendo capaz de evitar incêndios. Fonte: Ginlong Solis

Como funciona a proteção AFCI do inversor

Os sensores internos de corrente e tensão dos inversores não são sensibilizados por sinais de alta frequência típicos de um arco em série.

Para detectar o arco é necessário que o inversor tenha um dispositivo de proteção AFCI adicional, que analisa as componentes de alta frequência da tensão e da corrente do arranjo e interrompe o circuito quando valores limites de alta frequência são atingidos.

A Figura 6 mostra os comportamentos da tensão e da corrente elétrica de um inversor fotovoltaico na ocorrência de um arco série.

O comportamento ruidoso das duas variáveis (tensão e corrente) revela a existência de componentes de alta frequência, que podem ser detectados por um sistema de AFCI.

Figura 7: Comportamento do sistema durante a ocorrência de um arco em série. Fonte: adaptado de [1]

Figura 7: Comportamento do sistema durante a ocorrência de um arco em série. Fonte: adaptado de [1]

É possível analisar o comportamento do arco em série no domínio da frequência através de uma transformada rápida de Fourier (FFT – Fast Fourier Transform), que é uma técnica empregada na engenharia elétrica para a análise de sinais compostos por múltiplas frequências.

A FFT revela a composição de um sinal elétrico, revelando suas múltiplas frequências. A corrente e a tensão elétricas típicas de um sistema fotovoltaico possuem apenas componentes de baixa frequência. Na ocorrência de um arco elétrico são originados componentes de alta frequência que podem ser revelados pela técnica da FFT.

A Figura 8 mostra em detalhes como os níveis de ruído de alta frequência se comportam no momento do arco. As figuras a seguir foram extraídas do trabalho “Real Time Series DC Arc Fault Detection Based on Fast Fourier Transform” [1], que foi usado como referência neste artigo.

Figura 8: Os itens “a” e “c” mostram o comportamento de uma corrente convencional (sem arco elétrico) no tempo e no domínio da frequência. Os itens “b” e “d” mostram como a corrente medida se altera na ocorrência do arco elétrico

Figura 8: Os itens “a” e “c” mostram o comportamento de uma corrente convencional (sem arco elétrico) no tempo e no domínio da frequência. Os itens “b” e “d” mostram como a corrente medida se altera na ocorrência do arco elétrico

Na Figura 8, comparando as figuras “a” e “b” (domínio do tempo) vemos que a principal diferença é o aparecimento do ruído de alta frequência.

Esse ruído, ocasionado pela existência de um arco elétrico no circuito, passaria despercebido em equipamentos desprovidos de recurso AFCI. Os inversores convencionais simplesmente são incapazes de perceber a presença desse ruído.

Com a análise da FFT da corrente elétrica, que é a técnica empregada pelos dispositivos AFCI, é possível perceber a presença do ruído do arco, conforme mostram os itens “c” e “d” da Figura 8.

É notável a diferença da assinatura de frequência entre os itens “c” (corrente normal) e “d” (corrente com arco elétrico).

O que diz a norma brasileira sobre arcos em sistemas fotovoltaicos

A norma ABNT NBR 16690 não obriga a presença de dispositivo de detecção de arco em série AFCI nos inversores, e isto está claramente escrito no anexo D da norma.

Porém, mesmo que não obrigatório, a norma recomenda que haja algum tipo de detecção e proteção contra arcos em série em sistemas fotovoltaicos, dando a entender inclusive que em futuras revisões o item poderá se tornar obrigatório:

A melhor forma de se proteger contra o surgimento do arco é evitar as suas causas, em primeiro lugar. O uso dos cabos do tipo solar com dupla isolação, uso de bons conectores e emprego de boas práticas de montagem diminuem significativamente o risco de rompimento e maus contatos e acidentes com arcos elétricos.

O emprego da proteção AFCI em  inversores é recente e não é obrigatório, porém já pode ser encontrado em vários equipamentos disponíveis no mercado. Toda proteção é bem-vinda e sabemos que quanto mais confiáveis e seguros os sistemas fotovoltaicos, maior será a sua aceitação pelo público consumidor.

Referência

  • [1] M. H. Riza Alvy Syafi’i, E. Prasetyono, M. K. Khafidli, D. O. Anggriawan and A. Tjahjono, “Real Time Series DC Arc Fault Detection Based on Fast Fourier Transform” 2018 International Electronics Symposium on Engineering Technology and Applications (IES-ETA), Bali, 2018, pp. 25-30, doi: 10.1109/ELECSYM.2018.8615525.
Mateus Vinturini

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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