A Qualidade dos dispositivos de proteção de surtos em instalações fotovoltaicas

Os DPS são os equipamentos de proteção elétrica essenciais nas instalações elétricas. Ele é ligado entre as fases e o aterramento de proteção e tem a função de proteger a instalação na ocorrência de surtos causados por descargas atmosféricas. O dispositivo funciona por meio da variação da impedância entre dois pontos, ou seja, a impedância fase-neutro ou fase-terra. Em situações normais o DPS se comporta como um circuito aberto, sendo praticamente invisível na instalação. Quando um surto de tensão é presenciado na instalação o DPS torna-se um circuito fechado desviando a corrente do condutor com sobretensão para o aterramento, diminuindo a tensão percebida pelos outros equipamentos conectados ao circuito. Os surtos de tensão podem ser causados por descargas atmosféricas, descargas diretas, descargas indiretas ou manobras na rede. As descargas elétricas e os fenômenos que causam a sobretensão em um circuito apresentam curvas de tensão e corrente de descarga características.

Os sistemas fotovoltaicos possuem particularidades que devem ser levadas em consideração quando se seleciona um DPS para atuação do lado de corrente contínua. Por exemplo, a corrente de curto circuito em sistemas fotovoltaicos é baixa, apenas um pouco acima da corrente nominal do lado cc. Quando da ocorrência de um curto entre o DPS e a terra, o fusível de retaguarda pode não atuar, acarretando danos a instalação e até mesmo um incêndio. Assim, o uso de DPS no lado de corrente contínua deve seguir sempre as normas técnicas.

Para a montagem, os DPS devem ser munidos com meios apropriados que assegurem sua estabilidade mecânica após a montagem. Os dispositivos mecânicos de codificação/intertravamento devem ser previstos para evitar qualquer combinação incorreta de módulos de DPS plugáveis e de suas bases correspondentes. A conformidade deve ser verificada por inspeção visual. Os bornes e os meios de conexão listados na tabela abaixo devem atender aos requisitos da norma e os outros bornes e meios de conexão devem ser ensaiados de acordo com as normas aplicáveis para assegurar os desempenhos apropriados.

Quanto à imunidade às perturbações eletromagnéticas, os DPS, que não incorporam circuitos eletrônicos ou que incorporam circuitos eletrônicos nos quais todos os componentes, são passivos (por exemplo, diodos, resistores, capacitores, indutores, varistores e outros componentes de proteção contra surtos) e não são sensíveis às perturbações eletromagnéticas nas condições normais de serviço previstas. Portanto, nenhum ensaio de imunidade é requerido. Para os DPS que contêm circuitos eletrônicos sensíveis, deve-se consultar a IEC 61000-6-1.

Em relação às emissões eletromagnéticas, para os DPS que não incorporam circuitos eletrônicos ou que incorporam circuitos eletrônicos que não geram frequências fundamentais superiores a 9 kHz em funcionamento normal, as perturbações eletromagnéticas somente podem ser geradas durante as operações de proteção. A duração destas perturbações é da ordem de microssegundos a milissegundos.

A frequência, o nível e as consequências destas emissões são considerados como parte do ambiente eletromagnético normal das instalações de baixa tensão. Portanto, os requisitos relativos às emissões eletromagnéticas são considerados como atendidos e nenhuma verificação é necessária. Para os DPS que incorporam circuitos eletrônicos que realizam uma função de comutação e funcionam a uma frequência de 9 kHz ou superior, consultar a IEC 61000-6-3.

O ensaio para determinar a presença de um componente de comutação de tensão tem que ser realizado somente se o projeto interno do DPS não for conhecido. Uma nova amostra deve ser utilizada para este ensaio. A corrente de impulso normalizada 8/20 é utilizada para os ensaios de Classe I e de Classe II dos DPS com um valor de pico de acordo com a In (corrente nominal de descarga para os ensaios de classe II) ou Iimp (corrente de impulso de descarga para os ensaios de classe I), conforme declarado pelo fabricante.

Para os ensaios de classe III dos DPS, um gerador de onda combinada deve ser utilizado com uma tensão de circuito aberto igual à tensão UOC declarada pelo fabricante. Um impulso deve ser aplicado ao DPS. A tensão no DPS deve ser registrada com o osciloscópio. Se a forma de onda da tensão registrada apresentar uma queda repentina, o DPS é considerado como contendo um componente de comutação (crowbar).

O ensaio para determinar a amplitude da corrente subsequente tem como objetivo determinar se o valor de pico da corrente subsequente é superior ou inferior a 5A. Se o projeto interno e o valor de pico da corrente subsequente do DPS forem conhecidos, este ensaio preliminar não é necessário.

O ensaio deve ser realizado em uma amostra de ensaio separada e a fonte de alimentação é uma fonte linear de corrente contínua. A corrente de curto-circuito presumida deve ser de 100 A (0/+5%). O circuito de ensaio deve ter uma indutância igual ou superior a 100 µH. A tensão medida nos bornes do DPS deve ser igual a UCPV 0/-5%. A corrente subsequente deve ser gerada com um impulso de corrente de 8/20 ou por uma forma de onda combinada.

O valor de pico do impulso de ensaio deve corresponder à In ou Iimp ou UOC (tensão de circuito aberto do gerador de ondas combinadas). A polaridade do impulso deve coincidir com a polaridade da tensão da fonte de alimentação. Deve-se medir e registrar o valor de pico da corrente subsequente.

A NBR IEC 61643-31 de 01/2022 - Dispositivos de proteção contra surtos de baixa tensão - Parte 31: DPS para utilização específica em corrente contínua — Requisitos e métodos de ensaio para os dispositivos de proteção contra surtos para instalações fotovoltaicas é aplicável aos dispositivos de proteção contra surtos (DPS), destinados à proteção contra os efeitos diretos e indiretos das descargas atmosféricas ou contra as sobretensões transitórias. Estes dispositivos são projetados para serem conectados no lado corrente contínua nas instalações fotovoltaicas de tensão contínua nominal até 1.500 V. Estes dispositivos contêm pelo menos um componente não linear e são utilizados para limitar os surtos de tensão e escoar as correntes de surto.

As características de funcionamento, os requisitos de segurança, os métodos normalizados de ensaio e os valores nominais aplicáveis são definidos. Os DPS que atendem a esta Norma são exclusivamente destinados a serem instalados no lado corrente contínua dos geradores fotovoltaicos e no lado corrente contínua dos inversores.

Os DPS para sistemas fotovoltaicos (sistemas FV) com armazenamento de energia (por exemplo, baterias, bancos de capacitores) não são abrangidos. Os DPS com bornes de entrada e de saída separados (designados como DPS com duas portas de acordo com NBR IEC 61643-11: 2021) com uma impedância em série específica entre estes bornes não são abrangidos.

Os DPS de acordo com esta norma são projetados para serem conectados de maneira permanente quando a conexão e a desconexão dos DPS fixos somente puderem ser realizadas por meio de uma ferramenta. Esta norma não é aplicável aos DPS móveis. Em geral, os DPS para aplicações fotovoltaicas não possuem uma impedância em série específica entre os bornes de entrada/saída devido às considerações de eficiência energética. O termo rede de alimentação elétrica ou rede de alimentação utilizado neste documento se refere ao lado corrente contínua da instalação fotovoltaica.

Essa parte descreve os ensaios de segurança e de desempenho dos dispositivos de proteção contra surtos (DPS) a serem instalados no lado corrente contínua das instalações fotovoltaicas, para proteger contra os efeitos diretos e induzidos das descargas atmosféricas. Existem três classes de ensaios, descritos a seguir. Os ensaios de classe I são destinados a simular as correntes conduzidas de impulso parciais de descargas atmosféricas. Os DPS submetidos aos métodos de ensaio de classe I são geralmente recomendados para os locais de alta exposição, por exemplo, na entrada das linhas nas edificações protegidas pelos sistemas de proteção contra as descargas atmosféricas.

Os ensaios de classe II ou de classe III correspondem às durações de impulsos mais curtos. Os DPS são, na medida do possível, ensaiados de acordo com o princípio da caixa preta. Os ensaios levam em consideração que os geradores fotovoltaicos: se comportem como geradores de corrente, que sua corrente de saída dependa da intensidade da luz incidente e da temperatura, que sua corrente de curto-circuito seja ligeiramente superior à corrente de funcionamento de saída, e sejam conectados de acordo com as combinações em série e/ou em paralelo dando origem a uma grande variedade de tensões, de correntes e de potências de algumas centenas de W (nas instalações residenciais) a vários MW (campos fotovoltaicos).

Os parâmetros elétricos específicos das instalações fotovoltaicas no lado corrente contínua requerem os requisitos de ensaio específicos para os DPS. A IEC 61643-32 abrange os princípios de seleção e aplicação dos DPS nas situações práticas para aplicação fotovoltaica.

Para as condições de serviço, a tensão aplicada de maneira contínua entre os bornes do DPS não pode exceder a sua tensão máxima de operação contínua U_CPV e a pressão atmosférica é de 80 kPa a 106 kPa. Estes valores representam uma altitude de +2.000 m a –500 m, respectivamente. As temperaturas: faixa normal: –5 °C a +40 °C e faixa estendida: –40 °C a +70 °C. A umidade: faixa normal: 5% a 95% e faixa estendida: 5% a 100%. O fabricante deve classificar os DPS conforme os seguintes parâmetros descritos a seguir.

Projeto do DPS: Tipo comutador de tensão, Tipo limitador de tensão e Tipo combinado. Ensaios de classes I, II e III, pois as informações requeridas para os ensaios de classe I, classe II e de classe III são indicadas na NBR IEC 61643-11:2021, Tabela 2. Localização: abrigado - DPS destinados a serem utilizados em invólucros e/ou no interior das edificações ou abrigados. DPS instalados no exterior em um invólucro ou abrigados são considerados DPS para uso interno.

Esta classificação aborda os DPS para uso abrigado, em locais protegidos contra as intempéries sem controle da temperatura e da umidade; e corresponde às características de influências externas de código AB4 da IEC 60364-5-51. Ao tempo, são os DPS destinados a serem utilizados sem invólucro e no exterior das edificações ou dos abrigos. Esta classificação aborda DPS para uso em locais não protegidos contra as intempéries.

O acessível é um DPS que pode ser totalmente ou parcialmente tocado por uma pessoa não qualificada, sem o uso de uma ferramenta para abrir qualquer cobertura ou invólucro, após sua instalação. O inacessível é um DPS que não pode ser tocado por uma pessoa não qualificada devido a estar montado fora do alcance, ou devido a estar localizado dentro de invólucros que, após sua instalação, somente podem ser abertos utilizando uma ferramenta.

Algumas informações que devem ser fornecidas na ficha técnica do produto. A corrente total de descarga I_Total para os DPS multipolares e a classe de ensaio correspondente. As informações relativas às partes substituíveis (indicadores, fusíveis, etc., se aplicável) e os modos de proteção (para os DPS com mais de um modo de proteção)

As informações que devem ser fornecidas pelo fabricante para os ensaios de tipo. A presença de componente (s) de comutação (ver Anexo A). A corrente subsequente a ser esperada (= 5 A ou > 5 A: ver o Anexo A). Se o circuito de indicação de estado não utilizar componentes certificados utilizados de acordo com suas características nominais, o fabricante deve fornecer as normas de ensaio apropriadas que permitem verificar o componente especificado a ser ensaiado. O isolamento e a rigidez dielétrica dos circuitos isolados separados. A conformidade é verificada por inspeção visual.

Para a proteção contra os contatos diretos (inacessibilidade das partes vivas), os DPS devem ser projetados de maneira que estas partes vivas não possam ser tocadas quando forem instalados de acordo com a utilização prevista. Os DPS, com exceção daqueles classificados unicamente para uma montagem fora de alcance, devem ser projetados de maneira que, quando forem cabeados e montados como em utilização normal, as partes vivas não sejam acessíveis, mesmo após a remoção das partes removíveis sem o auxílio de uma ferramenta.

Após a instalação de acordo com as instruções de instalação do fabricante, a proteção contra o toque com as partes vivas do DPS, que podem ser acessíveis para as pessoas não instruídas, deve pelo menos atender aos requisitos de IP2XC de acordo com a NBR IEC 60529. A conexão entre os bornes de terra e todas as partes condutivas acessíveis devem apresentar uma baixa resistência. A conformidade é verificada pelos ensaios descritos na NBR IEC 60529 e NBR IEC 61643-11:2021, 8.3.1.

Para os DPS com um borne para o condutor de proteção, a corrente residual IPE deve ser medida conectando os bornes do DPS a uma fonte de alimentação à tensão máxima de operação contínua (UCPV). A conformidade é verificada pelo o ensaio de acordo com essa norma.

A (s) tensão (ões) de limitação medida (s) do DPS não pode (m) ser superior (es) ao (s) nível (is) de tensão de proteção especificado (s) pelo fabricante. A conformidade é verificada pelo ensaio de acordo com a NBR IEC 61643-11:2021, 8.3.3. Para o ciclo de operação, o DPS deve suportar as correntes de descarga especificadas superpostas à tensão máxima de operação contínua UCPV, sem modificações inaceitáveis de suas características.

Adicionalmente, os DPS de comutação de tensão ou os DPS do tipo combinado devem ser capazes de interromper qualquer corrente subsequente até a corrente de curto-circuito nominal (ISCPV). A conformidade é verificada pelo o ensaio de acordo com essa norma. Os DPS com modo de falha em circuito aberto (OCFM) devem ter desligadores (que podem ser internos, externos ou ambos). O funcionamento dos desligadores deve ser sinalizado por um indicador de estado correspondente. O DPS com modo de falha em curto-circuito (SCFM) deve ter um meio para curto-circuitar o DPS. Seu funcionamento deve ser sinalizado por um indicador de estado correspondente.

Os DPS devem ser protegidos contra superaquecimento devido à degradação ou a uma sobrecarga. Este ensaio não é realizado nos DPS fotovoltaicos contendo somente componentes de comutação de tensão e/ou dispositivos à diodo supressor de avalanche (ABD). A conformidade é verificada pelo o ensaio de acordo com essa norma. Um DPS deve falhar sem causar uma condição perigosa ou deve suportar a corrente de curto-circuito nominal ISCPV declarada que pode ocorrer durante uma falha do DPS. A conformidade é verificada pelo ensaio de acordo com essa norma.

Este ensaio não é aplicado ao (s) modo (s) de proteção do DPS que contém (êm) somente componentes de comutação de tensão. Devido aos possíveis perigos para as pessoas e para os bens resultantes da formação de arcos de corrente contínua durante a substituição, os DPS plugáveis com modo de falha em curto-circuito (SCFM) (que podem ser substituídos sem uma ferramenta) requerem meios adequados de desconexão que devem ser declarados pelo fabricante. A conformidade é verificada por inspeção das instruções de instalação em relação ao requisito de 6.1.1.3 da seção 17).

O fabricante deve fornecer as informações referentes à função do indicador e as ações a serem tomadas após a mudança de indicação de estado. Um indicador de estado pode ser constituído de duas partes (onde uma das quais não é substituída em caso de modificação, por exemplo, de um módulo plugável), ligadas por um mecanismo de acoplamento que pode ser mecânico, óptico, sonoro, eletromagnético etc.

A parte do indicador de estado que não é substituída (por exemplo, parte de uma base de montagem) deve poder funcionar pelo menos 50 vezes. A ação do mecanismo de acoplamento que age na parte não substituída do indicador de estado pode ser simulada por outros meios que não o do funcionamento da parte substituída do DPS, por exemplo uma mola ou eletroímã separado. Se existir uma norma apropriada para o tipo de indicação utilizado, isto deve atender a parte não substituída do indicador de estado, com a exceção de que o indicador precisa ser ensaiado somente para 50 operações.

Hayrton Rodrigues do Prado Filho

hayrton@hayrtonprado.jor.br