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Stringbox com DPS é necessária ou não? O que diz a NBR 16690?

A função principal de toda strinbox é concatenar os circuitos das strings

Autor: 30 de outubro de 2020janeiro 21st, 2021Artigos técnicos
Stringbox com DPS é necessária ou não? O que diz a NBR 16690?

Uma dúvida comum entre os projetistas de sistemas fotovoltaicos é sobre o uso de stringbox externa quando o inversor já possui stringbox integrada.

Há várias questões envolvidas na resposta para esta dúvida. Neste artigo vamos analisar a questão com um olhar especial sobre o DPS (dispositivo de proteção de surto) e uma abordagem sobre a norma NBR 16690.

A norma NBR 16690 – Instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos, requisitos de projeto – foi pulicada em outubro de 2019. Essa publicação era muito esperada, pois antes disso a área de projetos fotovoltaicos no Brasil era uma terra quase sem lei.

Eu digo quase, pois na ausência de uma norma nacional o profissional de engenharia deve buscar orientação em normas internacionais.

Antes de nos aprofundarmos no tema, vamos refletir sobre o que é uma norma técnica. A despeito de qualquer definição legal, o engenheiro que projeta um sistema deve, em qualquer caso, sempre buscar o melhor conhecimento sobre o estado atual da ciência e da tecnologia.

A norma técnica corresponde ao conjunto mínimo de requisitos que derivam do atual estágio do conhecimento sobre um determinado assunto. A norma é uma referência mínima para qualquer área da engenharia e não uma referência limitante.

A stringbox e os inversores de strings

A stringox é composta basicamente destes quatro elementos: conjunto de barramentos de corrente contínua (positivo e negativo), conjunto de fusíveis, chave seccionadora e protetor de surto.

Você pode encontrar stringboxes mais sofisticadas, com dispositivos de monitoramento da corrente das strings, módulo de comunicação e outras coisas, mas toda stringbox sempre vai ter alguns dos elementos citados acima.

Figura 1 Stringboxes para sistemas fotovoltaicos. Fotos Proauto

Figura 1: Stringboxes para sistemas fotovoltaicos. Fotos: Proauto

A função principal de toda strinbox é concatenar os circuitos das strings, unindo-os em dois barramentos (positivo e negativo) e fornecendo uma saída única para a conexão ao inversor. Podemos dizer que o conjunto de barramentos é o elemento funcional da stringbox, enquanto os demais são elementos de proteção e seccionamento.

Figura 2 Elementos da stringbox e suas funções concatenação das strings proteção e seccionamento.

Figura 2: Elementos da stringbox e suas funções: concatenação das strings, proteção e seccionamento

Por que os elementos de proteção e seccionamento são necessários? A chave seccionadora é necessária para permitir o seccionamento do circuito sob carga, desligando-o quando for necessário por qualquer motivo (em situações de emergência ou em qualquer situação em que o desligamento do sistema fotovoltaico torne-se necessário).

O protetor de surto é necessário para a proteção da instalação e dos equipamentos (principalmente o inversor) contra sobretensões causadas por descargas atmosféricas.

Os fusíveis são necessários para a proteção das strings fotovoltaicas contra corrente reversa. De acordo com a norma NBR 16690, em circuitos com três ou mais strings paralelas o uso dos fusíveis nas strings é indispensável.

Os componentes de proteção e as razões para usá-los já são conhecidos dos projetistas de sistemas fotovoltaicos. A questão central que levanta dúvidas é:

  • Esses componentes precisam estar alojados em uma stringbox externa ou podem estar integrados ao inversor?
  • Em outras palavras, os componentes da stringbox (chave, fusíveis e protetor de surto) podem ser embutidos no inversor?

Além das funções de proteção e seccionamento, as stringboxes naturalmente têm a função de concatenar as diversas strings do sistema fotovoltaico e fornecer uma saída única para o inversor, como comentado acima.

A dúvida sobre a necessidade da stringbox tem surgido com a chegada ao mercado de inversores com números cada vez maiores de entradas para strings.

À medida que os inversores passam a assumir a função de concatenar as strings, oferecendo plugues e entradas para a conexão direta das strings, a stringbox perde a sua principal razão de existir.

Entretanto, se a função de concatenação de strings com barramentos externos deixa de ser necessária, é preciso que o inversor incorpore as funções de proteção e seccionamento, incluindo fusíveis para strings, protetor de surto e chave seccionadora.

Será que é suficiente ou é vantajoso ter as funções de proteção integradas ao inversor? A redução de custo com a eliminação da stringbox traz benefícios à segurança dos sistemas fotovoltaicos? As normas técnicas permitem dispensar a stringbox externa? As normas estão certas ou erradas? São essas perguntas que vamos tentar responder a seguir.

Figura 3: Sistema fotovoltaico com inversor que oferece muitas entradas para strings. As funções de proteção e seccionamento são incorporadas pelo inversor. Foto: Alan Tavares/Divulgação.

Figura 3: Sistema fotovoltaico com inversor que oferece muitas entradas para strings. As funções de proteção e seccionamento são incorporadas pelo inversor. Foto: Alan Tavares/Divulgação

A norma NBR 16690

Segundo a Seção 1 da NBR 16690: “esta norma estabelece os requisitos de projeto das instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos, incluindo disposições sobre os condutores, dispositivos de proteção elétrica, dispositivos de manobra, aterramento e equipotencialização do arranjo fotovoltaico.

O escopo desta norma inclui todas as partes do arranjo fotovoltaico até, mas não incluindo, os dispositivos de armazenamento de energia, as unidades de condicionamento de potência ou as cargas. (…)

O objetivo desta norma é especificar os requisitos de segurança que surgem das características particulares dos sistemas fotovoltaicos. Sistemas em corrente contínua, e arranjos fotovoltaicos em particular, trazem riscos além daqueles originados de sistemas de potência convencionais em corrente alternada, incluindo a capacidade de produzir e sustentar arcos elétricos com correntes que não sejam maiores do que as correntes de operação normais.

Se você vai projetar qualquer tipo de sistema fotovoltaico ou usina solar, é bom prestar atenção à NBR 16690. Ela complementa outras normas já existentes, como a NBR 5410 e a NR-10, abordando assuntos que estão mais intimamente relacionados aos circuitos de corrente contínua (ou seja, dos módulos fotovoltaicos até a entrada do inversor).

Apesar do que possamos achar ou pensar sobre qualquer assunto, é bom respeitar a norma. Não esquecendo que ela deve ser nossa referência mínima e não uma barreira limitante. Um projeto de engenharia (como tudo na vida) pode ser muito melhor do que o mínimo.

Proteção contra surtos

A Seção 5.4.2 da NBR 16690 diz que “para proteger o sistema em corrente contínua como um todo, dispositivos de proteção contra surtos podem ser montados entre condutores ativos e entre os condutores ativos e terra no cabo do arranjo fotovoltaico e na entrada da UCP [unidade de conversão de potência, que é o inversor]. Para proteger equipamentos específicos, dispositivos de proteção contra surtos podem ser montados o mais próximo possível destes equipamentos. A instalação de dispositivos de proteção contra surtos deve ser avaliada de acordo com a ABNT NBR 5419 e medidas de proteção adequadas devem ser implementadas quando a necessidade for comprovada na análise de risco. O memorial de cálculo da análise de risco, em conformidade com a ABNT NBR 5419-2, deve fazer parte da documentação do projeto. A IEC 61643-32 fornece a metodologia para a proteção de sistemas fotovoltaicos contra sobretensões utilizando dispositivos de proteção contra surtos. Proteção contra sobretensão é uma questão complexa e uma avaliação completa deve ser realizada principalmente em áreas onde descargas atmosféricas forem comuns.

Resumidamente, a NBR 16690 não diz explicitamente que o protetor de surto é necessário, mas o seu uso deve ser avaliado de acordo com recomendações de outras normas.

Nós sabemos que ele é necessário e é praxe nos projetos fotovoltaicos. É inconcebível um sistema fotovoltaico que não possua um protetor de surto de corrente contínua em algum lugar, seja na stringbox ou no inversor.

Um detalhe importante para o qual a NBR 16690 chama a atenção: “O dispositivo de proteção contra surtos deve possuir autoproteção ao final de sua vida útil que garanta a desconexão em qualquer condição de operação do arranjo fotovoltaico. (…) Devido ao comportamento característico do sistema fotovoltaico, sua corrente de curto-circuito é variável de acordo com a irradiância solar, fazendo com que o dimensionamento de um dispositivo fusível de proteção em série com o dispositivo de proteção contra surtos seja complexo. Os dispositivos de proteção contra surtos baseados em varistor, ao chegarem no fim de sua vida útil, se tornam curtos-circuitos e podem se inflamar caso não sejam desconectados. Um fusível de proteção do DPS dimensionado para a corrente de curto-circuito máxima do arranjo fotovoltaico pode não desconectar o dispositivo de proteção contra surtos em condições de baixa irradiância.

O que está dito acima, entre outras coisas, é que os dispositivos de proteção contra surtos (DPS), ao final da vida útil, conduzem correntes elevadas e podem inflamar-se. Deve existir um dispositivo de interrupção em série com o DPS.

Esse dispositivo pode ser um fusível ligado em série com o DPS, cujo uso é raro nas instalações, ou pode ser um dispositivo interno capaz de desconectar-se na presença de uma corrente de intensidade elevada.

Na seção 6.3.5 a NBR 16690 ainda acrescenta: “Os requisitos dos dispositivos de proteção contra surtos especificados na ABNT NBR 5410 (…) devem ser substituídos pelos requisitos apresentados nesta subseção. Os DPS são incorporados em instalações elétricas para limitar sobretensões transitórias de origem atmosférica (transmitidas pelos sistemas de alimentação, sejam eles em corrente alternada, corrente contínua ou ambos), e surtos decorrentes de manobras. Certas UCP possuem alguma forma de DPS embutido, porém, também podem ser necessários dispositivos externos. Nestes casos, a coordenação entre os dois DPS deve ser verificada com o fornecedor do equipamento. Para proteger um equipamento específico, os DPS devem ser instalados tão perto quanto possível do equipamento a ser protegido. Para a proteção no lado em corrente contínua, os DPS devem estar em conformidade com a EN 50539-11 ou a IEC 61643-31 e ser explicitamente classificados para uso no lado em corrente contínua de um sistema fotovoltaico.

Em resumo, o que se diz acima é que o DPS deve ser instalado o mais próximo possível do inversor, podendo ser externo ou interno.

Ou seja, a norma não obriga o uso do DPS externo e não exclui a possibilidade de se empregar um DPS interno. A norma apenas afirma que no lado de corrente contínua do sistema fotovoltaico deve ser empregado um dispositivo preparado para operar em corrente contínua.

Em nossa missão de usar a norma apenas como referência mínima para os projetos, vamos levantar a seguir alguns assuntos nos quais as orientações da norma são insuficientes.

DPS externo: manutenção facilitada e maior segurança

Muitos inversores do mercado oferecem o DPS incorporado, como o equipamento mostrado na Figura 4. É bom que exista um DPS interno ao equipamento, pois a proteção dos circuitos eletrônicos do inversor aumenta com a proximidade do DPS.

Embora a norma NBR 16690 não obrigue, é recomendável que exista ainda um protetor de surto externo, mesmo que o inversor já incorpore esse dispositivo. Isso é bom não somente pela dupla proteção, mas também por uma razão muito importante: facilidade de manutenção.

Figura 4 Aliado ao DPS externo da stringbox o DPS interno representa uma barreira adicional de proteção para o inversor. Foto Fronius.

Figura 4:  O DPS interno oferece proteção aos circuitos eletrônicos do inversor. Foto: Fronius

O DPS tem uma vida útil. O varistor interno do DPS tem sua impedância reduzida conforme vai se desgastando após sucessivas atuações. Nos protetores de surto atualmente oferecidos no mercado existe um sistema de abertura de contato por derretimento de um ponto de solda, mostrado na Figura 5.

Ao final da vida útil esse contato é aberto e o DPS perde totalmente sua efetividade, necessitando ser substituído.

Para que possa oferecer proteção o DPS precisa ser inspecionado e trocado periodicamente. Um DPS vencido pode oferecer risco ao sistema fotovoltaico pela ausência de proteção.

O acesso ao DPS interno do inversor requer a abertura do equipamento por profissional especializado, enquanto a vistoria do DPS externo pode ser feita até mesmo pelo usuário do sistema fotovoltaico.

A existência de um DPS externo alojado na stringbox aumenta a segurança do sistema fotovoltaico, pois facilita a manutenção do DPS e fornece uma segunda barreira de proteção para o inversor.

Com a corrreta coordenação entre os protetores interno e externo, o DPS externo deverá absorver os surtos da rede elétrica, poupando o DPS interno do inversor.

Podemos dizer que ter um DPS interno ao inversor é bom, mas usar um DPS externo é melhor ainda. A ausência de manutenção do DPS interno pode tornar inócuo o dispositivo, colocando em risco o inversor.

A fácil manutenção do DPS externo, ilustrada na Figura 6, justifica o seu uso. O custo adicional de uma stringbox com DPS é desprezível perto do custo do inversor ou do sistema fotovoltaico como um todo.

Figura 8 DPS com sistema de extinção de arco elétrico com fusível interno. Elimina o risco de incêndio.

Figura 5: DPS com sistema de extinção de arco elétrico com fusível interno. Elimina o risco de incêndio. Fotos: DENH

Figura 6: DPS externo (na stringbox): manutenção facilitada e maior proteção para o inversor

Figura 6: DPS externo (na stringbox): manutenção facilitada e maior proteção para o inversor

Enxergando além dos horizontes da norma

Usando a norma NBR 16690 como referência mínima para o projeto, o único requisito a ser observado é que o DPS deve ser adequado para uso em corrente contínua – e nada além disso.

A norma é indiferente quanto à localização do DPS: ele pode ser interno ao inversor ou pode estar localizado em um stringbox externa.

O que a norma não diz é que o DPS precisa de manutenção e isso se torna mais difícil quando o DPS é interno.

Um DPS externo oferece algo que a norma não prevê: facilidade de manuteção (além da dupla proteção ao inversor, se este já tiver o DPS interno).

Talvez a norma passe a incorporar a obrigação do DPS externo no futuro, quando a necessidade de manutenção for percebida pelos usuários dos sistemas fotovoltaicos. A internalização do DPS no inversor dificulta a inspeção e a substituição do DPS, como ilustrou a Figura 6.

O DPS vencido e não substituído torna-se perigoso, pois deixa o inversor vulnerável aos surtos de tensão da rede elétrica.

Os inversores, ao permitirem a conexão direta de um grande número de strings, reduzem os custos de instalação ao dispensarem o uso da stringbox externa, porém sacrificam a segurança dos sistemas fotovoltaicos.

Um DPS interno (incorporado ao inversor) que tenha chegado ao final da vida útil e que não tenha sido trocado, além de inócuo é perigoso. O uso do DPS externo, alojado na stringbox, oferece maior facilidade de manutenção e maior proteção ao sistema fotovoltaico.

Temos, em resumo, diversos pontos relacionados ao uso do DPS que o projetista de sistemas fotovoltaicos atualmente não consegue enxergar à luz da norma NBR 16690:

  • Um DPS sem manutenção, com varistor vencido, torna-se inócuo e expõe o sistema fotovoltaico a riscos;
  • É difícil a manutenção do DPS interno, mesmo sendo vantajosa a presença desse dispositivo no inversor;
  • Pela facilidade de manutenção é recomendável o uso do DPS externo, mesmo se o inversor já possui um dispositivo interno;
  • O DPS externo, associado corretamente ao DPS interno, oferece dupla barreira de proteção para o inversor.

 


Marcelo Villalva

Marcelo Villalva

Especialista em sistemas fotovoltaicos. Doutor (PhD), Mestre e Graduado em Engenharia Elétrica. Docente e pesquisador da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da UNICAMP. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP. Autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações".

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