Segurança dos circuitos CC em sistemas fotovoltaicos

A segurança dos circuitos de corrente contínua dos sistemas fotovoltaicos tem sido alvo de grande atenção em muitos países.

Nos circuitos de corrente contínua é onde se encontram os níveis mais elevados de tensão, que podem ser perigosos principalmente durante situações de acidentes (como incêndios).

Nos circuitos de corrente contínua também há o risco de geração de arcos elétricos, que são principiadores de incêndios.

Embora estatisticamente os sistemas fotovoltaicos não sejam grandes causadores de incêndios, a presença de arcos elétricos (normalmente causados por maus contatos) é potencialmente perigosa e deve ser evitada a qualquer custo nos sistemas fotovoltaicos.

MLPE e a segurança dos circuitos CC

MLPE (module level power electronics) é o nome que damos à família de microinversores e otimizadores de potência. Os sistemas do tipo MLPE apresentam naturalmente algumas vantagens em relação à segurança dos circuitos de corrente contínua.

Alguns recursos de segurança dos circuitos CC  também podem ser alcançados nos inversores de strings convencionais com o uso de acessórios, mas nos sistemas com MLPE esses recursos já são nativos.

Sistemas fotovoltaicos com microinversores são naturalmente seguros e atendem os requisitos de desconexão rápida e nível de tensão de segurança exigidos em alguns países, pois em caso de desligamento da conexão à rede elétrica (ou seja, desligamento do disjuntor geral do sistema fotovoltaico) nenhuma tensão se apresenta na saída dos inversores.

Além disso, os módulos fotovoltaicos são empregados individualmente e nunca ligados em série, o que mantém as tensões de circuito aberto sempre em níveis seguros.

Tem se tornado muito comum no mercado mundial, inclusive no Brasil, o uso de otimizadores de potência ligados aos módulos fotovoltaicos.

Neste tipo de sistema, os strings são construídos de forma indireta, como mostra a Figura 2. Os strings são formados por otimizadores em série e não por módulos em série.

A tecnologia de otimizadores apresenta algumas vantagens do ponto de vista da eficiência durante a operação normal. Além das vantagens operacionais, a presença de otimizadores naturalmente oferece maior segurança aos sistemas fotovoltaicos no que diz respeito ao desligamento rápido e à segurança dos circuitos de corrente contínua – com a redução dos níveis de tensão presentes no circuito.

Rapid shutdown – desligamento rápido do sistema fotovoltaico

O sistema de desligamento rápido do sistema fotovoltaico, conhecido como rapid shutdown, é um recurso empregado e exigido por norma em alguns países nos quais as regras e restrições para o uso e a instalação de sistemas fotovoltaicos são mais rígidas.

O artigo 690.12 do National Electric Code (EUA) de 2014, por exemplo, requer um mecanismo de desligamento em todos os condutores ocultos, que não estejam próximos dos módulos e dos inversores. D

e acordo com o código, todos os condutores que estiverem a mais de 3 metros de distância do inversor devem ser desenergizados em menos de 30 segundos, em caso de emergência, e não podem apresentar nos seus terminais uma tensão acima de 30V.

Deve haver um mecanismo visível e identificado para o desligamento emergencial do sistema fotovoltaico. Essa medida foi adotada principalmente para garantir a segurança de bombeiros durante situações de incêndio.

Embora os sistemas fotovoltaicos não estejam associados às principais causas de incêndios nos países onde essas estatísticas já foram levantadas, o rapid shutdown oferece a segurança máxima necessária em caso de situações emergenciais.

Em outras palavras, o sistema de desligamento rápido não é uma resposta da indústria fotovoltaica para evitar que sistemas fotovoltaicos causem incêndios.

Trata-se apenas de um recurso que aumenta a segurança dos sistemas fotovoltaicos em qualquer tipo de situação (inclusive em incêndios originados por qualquer causa), evitando riscos para bombeiros ou técnicos que eventualmente estejam fazendo a manutenção dos sistemas.

No Brasil o rapid shutdown ainda não é uma realidade, ou seja, não existe obrigatoriedade no uso desse tipo de recurso, mas a tecnologia já está disponível no país.

Já vimos alguns relatos de princípios de incêndios com sistemas fotovoltaicos no Brasil.

Um caso muito conhecido, com um vídeo que circulou bastante pela internet alguns meses atrás, foi o de uma concessionária de veículos no qual vários erros foram cometidos: inversores instalados no alto, ausência de chave seccionadora visível, stringbox instalada muito próximo ao inversor e também a ausência de preparo e treinamento dos usuários do sistema fotovoltaico.

Se o sistema fosse instalado em acordo com a norma NEC norteamericana, deveria possuir um dispositivo de seccionamento e um botão de rapid shut down visíveis, evitando que a tentativa de extinguir o incêndio, por parte das pessoas presentes ou do corpo de bombeiros, pudesse acarretar acidentes de maior gravidade.

Não somente o sistema de rapid shutdown teria permitido extinguir o princípio de incêndio (provavelmente originado por arco elétrico), como teria garantido a segurança dos bombeiros em caso de um incêndio de maiores proporções.

De acordo com os documentos Safety Risks and Solutions in PV Systems e  Application Note – Rapid Shutdown in SolarEdge Systems, da fabricante de inversores SolarEdge, o desligamento rápido (rapid shutdown) do sistema fotovoltaico pode ser desencadeado por um dos seguintes eventos:

• A conexão do inversor com a rede elétrica (do lado CA) é perdida pelo desligamento de um disjuntor, uma falha da rede ou qualquer outro motivo que impeça a injeção de energia na rede elétrica;
• O inversor é desligado intencionalmente pelo usuário, tendo sua operação encerrada;
• A chave seccionadora CC do inversor (entrada dos strings) é desligada;
• Uma anomalia é constatada pelo sistema de detecção de arco elétrico.

Detecção de arco elétrico

Os arcos elétricos, como mencionado acima, são grandes principiadores de incêndios nos sistemas fotovoltaicos. Os arcos são causados pela passagem da corrente elétrica pelo ar quando existe mau contato em alguma parte da instalação, normalmente nas conexões dos strings existentes nos quadros elétricos ou no inversor.

Conectores de má qualidade (que não são raros nas instalações) também pode originar maus contatos e produzir arcos elétricos.

As seções 690.11 e 690.12 da norma NEC 2014/2017 norte-americana exigem nos sistemas fotovoltaicos a capacidade de detectar e eliminar arcos elétricos através do desligamento automático do inversor.

A norma UL1699B exige em circuitos CC com tensões acima de 80 V a presença de sistema de detecção de arco elétrico.

Com o recurso de detecção de arco elétrico o sistema fotovoltaico tem a capacidade de detectar e interromper falhas de arco elétrico causadas por maus contatos em condutores, conexões, módulos ou qualquer outro componente do sistema.

Este é um assunto sobre o qual ainda não se fala muito no Brasil. A detecção de arco elétrico está longe ainda de ser uma preocupação aqui no país.

Além de não existirem orientações normativas para essa finalidade, a maior parte do público desconhece o perigo dos arcos elétricos. Isso é ainda mais grave quando constatamos a existência de muitas instalações fotovoltaicas precárias no país, “projetadas” e realizadas por profissionais sem preparo.

Não é raro o uso de componentes genéricos (conectores, chaves seccionadoras, protetores de surto), sem certificações internacionais, além de erros crassos na execução das instalações e das conexões elétricas, que são a maior parte dos focos de criação de arco elétrico.

SafeDC da SolarEdge

A tecnologia de otimizadores de potência foi introduzida no Brasil pela SolarEdge, fabricante israelense com presença mundial.

Dentre os recursos disponíveis nos otimizadores dessa marca encontra-se a tecnologia registrada comercialmente como SafeDC, que consiste em um sistema de interrupção da corrente e de redução automática da tensão de saída do otimizador em caso de desligamento do inversor.

Na estratégia SafeDC desenvolvida pela SolarEdge os otimizadores de potência permanecem em funcionamento enquanto recebem um sinal de operação do inversor.

Esse sinal é constantemente renovado, exceto se o inversor for desligado ou se alguma falha for detectada. Se nenhum sinal for recebido do inversor os otimizadores desligam seus terminais, interrompendo o fornecimento de corrente elétrica e levando a tensão de saída ao nível de 1 V.

O desligamento dos otimizadores (ou seja, a desconexão do circuito CC no nível do módulo) ocorre se alguma condição de desligamento do inversor for alcançada e também quando a temperatura interna dos otimizadores superar 85 ^oC.

Conclusão

Os circuitos de corrente contínua dos sistemas fotovoltaicos podem tornar-se mais seguros com a adoção de novos recursos, muitos dos quais não são ainda obrigatórios no Brasil.

Exemplificamos neste artigo três importantes recursos de segurança dos sistemas fotovoltaicos: rapid shutdown, detecção de arco elétrico e redução dos níveis de tensão dos strings fotovoltaicos (SafeDC).

O rapid shutdown e a detecção de arco elétrico são exigências normativas que já começam a ser adotadas em alguns países, mas não existem ainda no Brasil.

A proposta SafeDC da SolarEdge, de forma natural, já possibilita o atendimento dos requisitos de desligamento rápido e seguro dos circuitos de corrente contínua dos sistemas fotovoltaicos, previstas na norma norte-americana NEC 2014/2017.

Podemos destacar as seguintes características e os seguintes recursos possibilitados pelo conjunto de recursos SafeDC, rapid shutdown e detecção de arco:

• Desligamento rápido total do sistema fotovoltaico, incluindo os circuitos de corrente contínua, em caso de emergência;
• Detecção de arco elétrico em acordo com as normas UL1699B e NEC 2014/2017 (seções 690.11 e 690.12) – ainda não adotadas no Brasil;
• Na ocorrência de um arco elétrico, o sistema de desligamento rápido (rapid shutdown) é acionado e o sistema fotovoltaico permanece desligado até que seja reinicializado manualmente por um operador;
• A tensão de saída dos otimizadores é reduzida a 1 V quando um desligamento rápido ocorre – é um recurso nativo dos otimizadores que a SolarEdge denomina SafeDC;
• A tensão presente nos circuitos de corrente contínua (CC) torna-se inferior a 30 V a partir do comando de desligamento rápido (considerando um limite de 30 otimizadores nos strings).