À medida que o mundo adota cada vez mais a energia renovável, os sistemas fotovoltaicos (FV) tornaram-se uma parte vital do cenário energético global. No entanto, a expansão dos sistemas de energia solar também traz desafios significativos de segurança. Uma das principais preocupações é a ocorrência de arcos elétricos no lado de corrente contínua (c.c.) dos sistemas FV, que podem causar incêndios e danos aos equipamentos e às instalações. Diversos estudos ao redor do mundo e no Brasil tentam entender, explicar, prever e prevenir esse tipo de fenômeno.
Um desses estudos, realizado na Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) e liderado pelo professor Leandro Michels e pelo pesquisador Josué Lopez Putzke, criou uma metodologia para tentar entender quais seriam níveis seguros de tensão e corrente c.c. para a ocorrência de arcos elétricos.
Compreendendo o problema
Imagem: Instituto de Redes Inteligentes (INRI) da UFSM
Um arco elétrico é um fenômeno caracterizado pela condução de corrente elétrica entre dois condutores separados através de um gás ou vapor. Ele pode ocorrer independentemente do tipo de corrente elétrica, alternada ou contínua, mas em corrente contínua, como é o caso dos sistemas FV, as consequências podem ser muito piores dos que os arcos em corrente alternada. A principal razão para isso é que em corrente alternada tanto a corrente quanto a tensão passam pelo valor zero diversas vezes por segundo, auxiliando na extinção do arco, enquanto em corrente contínua isso não acontece.
Nos sistemas FV esses arcos podem ocorrer quando pequenos espaços são formados entre duas conexões elétricas previamente energizadas, permitindo que a corrente elétrica continue fluindo através do ar ionizado. Mais comumente, esses arcos ocorrem entre terminais de conexão, como os famosos conectores MC4 utilizados em sistemas FV, ou ainda nas conexões de caixas de junção, disjuntores, DPS, entre outros. A principal razão para que o arco ocorra geralmente nesses dispositivos é o fato de que quase todas essas conexões envolvem elementos de pressão como parafusos, terminais crimpados, entre outros. Caso a conexão não seja devidamente realizada, o conector pode escapar do ponto de conexão, criando um vão de ar e iniciando o arco elétrico.
Níveis de tensão segundo as normas nacionais e internacionais
Algumas normas, como a ABNT NBR 5410, definem uma tensão de segurança como 50 V para corrente alternada e 120 V para corrente contínua. É importante ressaltar, que essa tensão leva em consideração os danos que um choque pode causar ao corpo humano, principalmente a fibrilação, e, portanto, não devem ser consideradas para o risco de incêndio provados por um arco elétrico.
A norma UL 1699B, que especificou requisitos de proteção contra arcos elétricos pela primeira vez no cenário mundial, especificava sua aplicação para circuitos de corrente contínua com tensões superiores a 80 V. Em contrapartida, a posterior norma IEC 63027:2023, baseada na UL 1699B, não estabelece um limite mínimo de tensão para a aplicação dessas proteções. No Brasil, a portaria Inmetro 515/2023 define que todos os inversores FV devem possuir proteção contra arco elétrico, mas também estabelece que “Para inversores com tensão de circuito aberto de até 120 V e corrente de curto-circuito de até 20 A, a funcionalidade pode ser dispensada, desde que a tecnologia do equipamento garanta a extinção do arco elétrico em todas as condições de operação”. Mas não define quais são essas condições
Resultados encontrados pelo time de pesquisadores da UFSM
Tentando entender melhor o fenômeno e criar uma harmonização entre todos os diferentes valores de tensão considerados seguros, o time da universidade primeiramente modelou todos os tipos de comportamento que um inversor fotovoltaico pode ter no lado CC e forçou a ocorrência de diversos arcos elétricos em diferentes níveis de tensão e corrente para identificar com quais combinações os arcos eram sustentados ou não.
Os pesquisadores identificaram quatro tipos de comportamento de controle em inversores fotovoltaicos — resistência constante, tensão constante, corrente constante e potência constante — e analisaram seu impacto no comportamento dos arcos:
- Carga de Resistência Constante: Embora a maioria dos estudos sobre arcos elétricos assuma uma carga de resistência constante, essa análise é menos aplicável a sistemas FV do mundo real.
- Carga de Tensão Constante: Esse comportamento de controle é típico dos inversores FV que utilizam o rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT).
- Carga de Corrente Constante: Esse modo é comum quando os inversores limitam a corrente, como durante o corte de potência.
- Carga de Potência Constante: Quando os conversores operam com potência constante, a entrada do arranjo FV é ajustada para manter a potência de saída.
Os resultados obtidos em todos esses testes mostram que os piores casos ocorrem quando o inversor está operando no modo de potência ou corrente constante, nos quais arcos foram sustentados com tensões inferiores a 30 V. Enquanto, no modo de tensão constante, os arcos só foram sustentados com tensões superiores a 150V.
Para visualizar o estudo completo, em inglês, e entender mais sobre o fenômeno, acesse https://doi.org/10.1016/j.solener.2024.112714
Sobre o autor
Ricardo Jochann Franceschi Bortolini é gerente de projetos de PDI do Instituto de Redes Inteligentes da Universidade Federal de Santa Maria.
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