Em arranjos fotovoltaicos, tipos diferentes de configurações elétricas podem ser aplicadas como, por exemplo, um arranjo pode ser formado por apenas uma série fotovoltaica, múltiplas séries fotovoltaicas, múltiplos subarranjos fotovoltaicos, dentre outras configurações.
Todas as configurações devem possuir componentes de proteção contra sobretensão e sobrecorrente, além de um dispositivo que permite o seccionamento do circuito.
Para conectar os cabos vindos dos circuitos das séries fotovoltaicas (string) em um único ponto, utiliza-se um invólucro (box) com um conjunto de barramentos de corrente contínua (positivo e negativo).
Além de proporcionar as conexões do circuito, a string box (designada tecnicamente em português como caixa de junção) é onde também são alocados os dispositivos de proteção e chave seccionadora.
Após as conexões serem unificadas e passar pelos dispositivos de proteção, o circuito é conectado ao inversor.
A norma NBR 16690 Instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos — Requisitos de projeto, define uma caixa de junção como: “invólucro no qual subarranjos fotovoltaicos, séries fotovoltaicas ou módulos fotovoltaicos são conectados em paralelo, e que pode alojar dispositivos de proteção e/ou de manobra”.
Invólucro
O invólucro é a caixa (box) onde estão alojadas as conexões elétricas, os dispositivos de proteção e os dispositivos de manobra.
Os materiais necessitam de proteções específicas para cada tipo de ambiente em que estarão expostos, além de proteger o usuário contra choques elétricos. Para isso são usados os índices de proteção (IP).
Para ambientes internos o índice de proteção mínima da string box é o IP2X e para ambientes externos o índice de proteção mínima é o IP55.
A imagem abaixo ilustra um invólucro com proteção IP65, que pode ser aplicado em ambientes externos e internos, possui resistência UV e material retardador de chamas. O sistema exemplificado possui também trilho do tipo DIN e barramento de aterramento.
Proteção contra sobrecorrente
A sobrecorrente de um arranjo fotovoltaico pode ser decorrente de faltas à terra nos condutores do arranjo ou de correntes de curto-circuito em módulos fotovoltaicos, caixas de junção e cabeamento.
Os dispositivos de proteção destinam-se a interromper sobrecorrentes antes que elas se tornem perigosas, devido aos seus efeitos térmicos e mecânicos, ou resultem em uma elevação de temperatura prejudicial à isolação, às conexões, às terminações e à circunvizinhança dos condutores. Para esta proteção, utilizamos dois dispositivos: o fusível e o disjuntor.
Fusível
Os fusíveis do tipo gPV são próprios para a utilização em circuitos fotovoltaicos e oferecem proteção contra corrente de curto-circuito e sobrecorrente.
A designação PV se refere à capacidade dos fusíveis de operar em corrente CC com valores de tensão típicos de sistemas fotovoltaicos.
Para alojar esses fusíveis na string box, utilizam-se porta fusíveis que devem ter tensão nominal igual ou superior à tensão máxima do arranjo fotovoltaico e corrente nominal igual ou superior à do fusível correspondente, além de fornecer grau de proteção adequado para o local de instalação e não menor do que IP2X.
Os porta fusíveis também protegem o usuário de choques quando ocorrem contatos acidentais.
A seguir ilustramos um porta fusível CC de 1500 V e 30 A.
Disjuntor
O disjuntor, além de proteger contra sobrecorrente, pode operar também como elemento seccionador. 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% vezes a corrente nominal do dispositivo.
O disjuntor do tipo CA não tem a mesma isolação e capacidade de interrupção de arco elétrico que um disjuntor CC, portanto, não deve ser utilizado na string box.
O disjuntor devem estar de acordo com alguns requisitos:
- Atender a norma IEC 60947-2
- Não ser sensível à polaridade
- Se dimensionado para seccionar plena carga e potenciais correntes de falta do arranjo fotovoltaico e quaisquer outras fontes de energia conectadas, como baterias, geradores e a rede elétrica, se presente
- Ser dimensionados para sobrecorrente de acordo com o item 5.3 da norma NBR 16690
Abaixo podemos verificar um disjuntor tripolar CC de 1500 V e 40 A.
Proteção contra sobretensão (DPS)
Quando falamos de DPS (dispositivo protetor de surto) na string box, geralmente nos deparamos com uma pergunta: string box com DPS é necessária ou não?
A norma NBR 16690 não especifica em qual localidade o DPS deve estar incluso, diz apenas que deve conter um dispositivo contra sobretensão. Porém, os DPS são passíveis de manutenções, e quando estes estão internos ao inversor, tal manutenção se torna mais difícil comparado a um DPS externo (na string box)
Neste artigo do Canal Solar, é discutida com mais detalhes essa questão. De qualquer forma, um dispositivo de proteção contra sobretensão alojado na string box ou no inversor protege o inversor de sobretensões oriundas do sistema CC.
Os fenômenos que podem causar as sobretensões são: descargas atmosféricas no SPDA (sistema de proteção de descargas atmosféricas) e descargas atmosféricas próximas que induzem corrente no circuito CC.
Temos três tipos de DPS que são definidos de acordo com a sua sensibilidade, sendo específicos para cada tipo de operação. Os detalhes de um dispositivo de sobretensão são discutidos mais detalhadamente neste artigo do Canal Solar.
A seguir verificamos um DPS CC do tipo 2 para aplicação solar fotovoltaica de 1500V.
Dispositivo de manobra (chave seccionadora)
Os dispositivos de manobra são responsáveis pela conexão e desconexão da parte CC do sistema fotovoltaico. Segundo a norma NBR 16690, a chave seccionadora deve seguir alguns requisitos para sua operação, sendo elas:
- Não possuir qualquer parte de metal exposta, tanto em estado ligado como desligado
- Apresentar corrente nominal igual ou superior à do respectivo dispositivo de proteção contra sobrecorrente ou, na ausência de tal dispositivo, possuir corrente nominal igual ou superior à capacidade de corrente mínima requerida do circuito ao qual estiver conectada
- Não ser sensível à polaridade (correntes de falta em um arranjo fotovoltaico podem fluir no sentido oposto ao da operação normal)
- Ser dimensionada para seccionar plena carga e potenciais correntes de falta do arranjo fotovoltaico e quaisquer outras fontes de energia conectadas, como baterias, geradores e a rede elétrica, se presente
- Quando a proteção contra sobrecorrente for incorporada, deve ser dimensionada de acordo com as proteções contra sobrecorrente
- Ter capacidade de interromper todos os condutores energizados simultaneamente
Cada projeto deve ser elaborado respeitando a tensão de operação da chave e a sua corrente máxima, para evitar danos e acidentes mais graves.
A figura abaixo apresenta uma chave seccionadora de 1200 V e 32 A de operação, com uma supressão de arco de 3ms.
A seguir podemos visualizar uma chave seccionadora acoplada às mesas de um parque fotovoltaico na África do sul, facilitando manobras para manutenção.
Tipos de string boxes
As características das string boxes estão diretamente associadas às configurações dos inversores e dos arranjos fotovoltaicos.
O número de entradas e saídas da string box depende da quantidade de entradas de MPPT do inversor e da quantidade de strings paralelas empregadas no sistema.
A leitura dos artigos abaixo pode ser interessante para para entender esta questão com mais detalhes:
- https://canalsolar.com.br/inversores-com-multiplos-mppt/
- https://canalsolar.com.br/entenda-as-stringboxes-com-multiplas-entradas-e-multiplas-saidas/
Abaixo podemos verificar dois modelos de string box com duas entradas e duas saídas, com capacidades de operação em 600 V e 1000 V, respectivamente.
