Proteção contra surtos para sistemas fotovoltaicos

Os relâmpagos indiretos são destrutivos. Observações anedóticas sobre a atividade de raios são geralmente um mau indicador do nível de sobretensão induzida por raios em painéis fotovoltaicos. As descargas atmosféricas indiretas podem facilmente danificar os componentes sensíveis dos equipamentos fotovoltaicos, o que muitas vezes acarreta um alto custo para reparar ou substituir os componentes danificados e afeta a confiabilidade do sistema fotovoltaico. A sobretensão depende das condições de configuração de cada sistema fotovoltaico e das fiações.

Os sistemas fotovoltaicos ficam expostos em grandes espaços abertos, normalmente em campos ou no topo de edifícios. Nuvens de chuva carregadas que se acumulam nesses campos abertos têm a propensão de liberar a carga na forma de relâmpagos. Quando isso acontece, é provável que ocorra um pico de tensão. Quanto mais extenso for o campo, maior será a probabilidade de ocorrer destruição.

Quando um sistema fotovoltaico está localizado em uma área industrial, as operações comerciais e os equipamentos também ficam em risco. Os inversores são caros, mas para aplicações industriais, uma falha ainda mais cara é o custo do tempo de inatividade.

Quando um raio atinge um sistema solar fotovoltaico, ele causa uma corrente e tensão transitórias induzidas nos circuitos de fios do sistema solar fotovoltaico. Essas correntes e tensões transitórias aparecerão nos terminais do equipamento e provavelmente causarão falhas dielétricas e de isolamento nos componentes elétricos e eletrônicos da energia solar fotovoltaica, como os painéis fotovoltaicos, o inversor, os equipamentos de controle e comunicação, bem como os dispositivos na instalação do edifício. A caixa de matriz, o inversor e o MPPT (potência máximaponto rastreador) têm os pontos mais altos de falha.

Para evitar que alta energia passe através dos componentes eletrônicos e cause danos de alta tensão ao sistema fotovoltaico, os surtos de tensão devem ter um caminho para o terra. Para fazer isso, todas as superfícies condutoras devem ser aterradas diretamente e toda a fiação que entra e sai do sistema (como cabos Ethernet e rede elétrica CA) deve ser acoplada ao aterramento por meio de um SPD.

Um dispositivo de proteção contra surtos é necessário para cada grupo de strings dentro da caixa do array, da caixa do recombinador, bem como da desconexão CC.

Seleção e instalação de dispositivos de proteção contra surtos para sistemas fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos possuem características únicas, que requerem, portanto, o uso de SPDs projetados especificamente para sistemas fotovoltaicos.

Os sistemas fotovoltaicos possuem altas tensões de sistema CC de até 1.500 volts. Seu ponto de potência máxima opera apenas alguns percentis abaixo da corrente de curto-circuito do sistema.

Para determinar o módulo SPD adequado para o sistema fotovoltaico e sua instalação, você deve saber:

l A densidade do flash redondo do relâmpago;

l A temperatura operacional do sistema;

l A tensão do sistema;

l A corrente nominal de curto-circuito do sistema;

l O nível da forma de onda que deve ser protegida (raios indiretos ou diretos);

l A corrente de descarga nominal.

Os requisitos de SPD para uma instalação protegida por um sistema externo de proteção contra raios (LPS) dependem da classe selecionada do SPDA e se a distância de separação entre o SPDA e a instalação fotovoltaica é isolada ou não isolada. A IEC 62305-3 detalha os requisitos de distância de separação para um LPS externo.

Para ter um efeito protetor, o nível de proteção de tensão (Up) de um SPD deve ser 20 % inferior à rigidez dielétrica do equipamento terminal do sistema.

É importante usar um SPD com uma corrente suportável de curto-circuito maior que a corrente de curto-circuito da cadeia do painel solar ao qual o SPD está conectado. O SPD que é fornecido na saída CC deve ter um MCOV CC igual ou superior à tensão máxima do sistema fotovoltaico do painel.

SPDs para o lado CC de sistemas fotovoltaicos

As fontes fotovoltaicas têm características de corrente e tensão muito diferentes das fontes CC tradicionais: elas têm uma característica não linear e causam persistência de arcos acesos a longo prazo. Portanto, as fontes de corrente fotovoltaica não requerem apenas interruptores fotovoltaicos e fusíveis fotovoltaicos maiores, mas também um seccionador para o dispositivo de proteção contra surtos que seja adaptado a esta natureza única e capaz de lidar com correntes fotovoltaicas.

Os SPDs instalados no lado CC devem sempre ser projetados especificamente para aplicações CC. O uso de um SPD no lado CA ou CC incorreto é perigoso sob condições de falha.

Instalação

Os SPDs devem sempre ser instalados a montante dos dispositivos que irão proteger. A NFPA 780 12.4.2.1 diz que a proteção contra surtos deve ser fornecida na saída CC do painel solar de positivo para terra e negativo para terra, na caixa combinadora e recombinadora para vários painéis solares e na saída CA do inversor.

A instalação adequada de um SPD depende de três valores, que são:

l Tensão máxima de operação contínua: A tensão que o SPD ativará.

l Nível de proteção de tensão: A categoria de sobretensão do equipamento deve ser superior ao nível de proteção de tensão do SPD.

l Corrente de descarga nominal: O valor de pico da forma de onda (8/20 μs para SPDs tipo 2) que o SPD é capaz de suportar após surtos repetitivos.

Como combinar SPDs com inversores

Os parques fotovoltaicos são compostos por equipamentos muito sensíveis que necessitam de proteção ampla. Como os parques fotovoltaicos criam energia de corrente contínua (CC), os inversores (que são necessários para converter esta energia de CC para CA) são um componente essencial para a sua produção elétrica. Infelizmente, os inversores não são apenas altamente suscetíveis a quedas de raios, mas também são incrivelmente caros.

A NFPA 780 12.4.2.3 requer SPDs adicionais na entrada CC do inversor se o inversor do sistema estiver a mais de 30 metros da caixa combinadora ou recombinadora mais próxima.

Instale o SPD entre os fusíveis e o inversor se houver protetores de string (como fusíveis, disjuntores CC ou diodos de string)

Para conectar um SPD quando houver um inversor com caixa de fusíveis integrada, certifique-se de que os fusíveis internos estejam bypassados ​​e que os fusíveis externos do string estejam conectados.

Os inversores string devem ser instalados o mais próximo possível dos strings. Os cabos SPD que se conectam à rede L+/L- e entre o bloco terminal do SPD e o barramento de aterramento devem ter menos de 2,5 metros. Quanto mais curtos forem os cabos de ligação, mais eficiente e económica será a protecção.

Para inversores com apenas um rastreador MPP, combine o string antes do inversor e conecte-os ao SPD no ponto de interligação.

Combinações SPD devem ser planejadas para cada entrada quando o inversor possui múltiplos rastreadores MPP. Um SPD deve ser usado para cada entrada fundida com um diodo de string.

Referências

[1] Guia de proteção contra raios, norma DIN EN 62305 – 3, 2014.

[2] Norma para dispositivos de proteção contra surtos, UL 1449, 2014.

[3] Dispositivos de proteção contra surtos de baixa tensão – Parte 32: Dispositivos de proteção contra surtos conectados à rede CC. lado das instalações fotovoltaicas – Princípios de seleção e aplicação, norma IEC 61643-32, 2 017.