Trabalho colaborativo de protetores contra surtos, disjuntores e fusíveis em sistemas fotovoltaicos: análise funcional e discussão sobre a necessidade.

Introdução

Com o rápido desenvolvimento da indústria fotovoltaica global, a segurança e a estabilidade dos sistemas de geração de energia solar tornaram-se o foco de atenção do setor. Os sistemas fotovoltaicos ficam expostos ao ar livre por longos períodos e são vulneráveis ​​a ameaças como descargas atmosféricas, flutuações na rede elétrica e falhas de equipamentos, que podem causar danos aos equipamentos ou até mesmo incêndios. Os dispositivos de proteção contra surtos (DPS), disjuntores e fusíveis são dispositivos de proteção essenciais que desempenham suas funções e cooperam entre si para garantir a operação segura do sistema. Este artigo analisará detalhadamente suas funções, mecanismos de coordenação e necessidade, a fim de fornecer subsídios para os usuários do setor.

I. O "Assassino Invisível" que Afeta os Sistemas Fotovoltaicos

As centrais de energia fotovoltaica são como "guerreiros de aço" que trabalham ao ar livre, resistindo constantemente a vários testes rigorosos.

1.1 Problemas relacionados a raios:

Em particular, no Oriente Médio e no Sudeste Asiático, uma única temporada de tempestades pode paralisar sistemas que não possuem proteção.
1.2 Flutuações na rede elétrica:
No projeto chileno do qual eu era responsável, vários equipamentos foram danificados devido a um aumento repentino na tensão da rede elétrica.

1.3 Risco de curto-circuito:
No ano passado, um projeto na Alemanha sofreu um curto-circuito devido a cabos envelhecidos, quase causando um incêndio.

Esses riscos não são exagerados. De acordo com a Aliança Internacional de Segurança Fotovoltaica, mais de 60% das falhas em sistemas fotovoltaicos são causadas por proteção elétrica inadequada.

II. Funções principais dos dispositivos de proteção contra surtos (DPS)

2.1 Princípio de funcionamento
Os DPS (Dispositivos de Proteção contra Sobretensões) desviam a sobretensão transitória para o terra através de varistores de óxido metálico (MOV) ou tubos de descarga de gás (GDT), limitando a tensão a uma faixa segura. Em sistemas fotovoltaicos, os DPS são normalmente instalados nos seguintes locais:
Lado CC (entre os módulos e o inversor): Para proteção contra surtos induzidos por raios.
Lado CA (entre o inversor e a rede): Para suprimir a sobretensão proveniente da rede elétrica.

2.2 Parâmetros-chave
Tensão máxima de operação contínua (Uc): Deve corresponder ao nível de tensão do sistema fotovoltaico (como 1000V CC ou 1500V CC).
Corrente de descarga (In/Iimp): Reflete a capacidade de descarregar a corrente de raios, e os sistemas fotovoltaicos normalmente requerem 20 kA ou mais.
Nível de proteção contra sobretensão (Superior): Determina a magnitude da tensão residual e deve ser inferior à tensão suportável do equipamento protegido.

2.3 Necessidade
Evite que equipamentos caros, como inversores e caixas de junção, sejam danificados por surtos de energia.
Cumprir as normas internacionais (como IEC 6164331, UL 1449) e os requisitos de aceitação para centrais de energia fotovoltaica.

III. Função e seleção de disjuntores e fusíveis

3.1 Disjuntor
Função:
• Proteção contra sobrecarga: Quando a corrente excede o valor definido (como 1,3 vezes a corrente nominal), o mecanismo de desligamento térmico é acionado.
• Proteção contra curto-circuito: O mecanismo de disparo eletromagnético interrompe a corrente de curto-circuito (como 10 kA) em milissegundos.

•Características de aplicação para energia fotovoltaica:
É necessário selecionar um disjuntor CC dedicado (como um disjuntor CC de 1000V/1500V).
A capacidade de interrupção deve ser compatível com a corrente de curto-circuito do sistema (normalmente ≥ 15 kA).

Fusível 3.2
Função:
Ao derreter o elemento fusível, é possível isolar rapidamente o circuito defeituoso e proteger o ramo conectado em série.

Vantagens:
A velocidade de desconexão é mais rápida (na ordem de microssegundos), adequada para cenários de alta corrente de curto-circuito.
É de tamanho reduzido e adequado para caixas de passagem de corrente com espaço limitado.

3.3 Colaboração com a SPD

O DPS (Dispositivo de Proteção contra Surtos) é responsável pela proteção contra sobretensão, enquanto os disjuntores/fusíveis de proteção são responsáveis ​​pela proteção contra sobrecorrente.
Quando um DPS (Dispositivo de Proteção contra Surtos) falha devido a uma sobrecarga, disjuntores ou fusíveis de proteção podem interromper imediatamente o circuito defeituoso para evitar incêndios.

IV. Estudo de caso de sistema de proteção multinível

Tomemos como exemplo uma central fotovoltaica de 1 MW:
4.1 Proteção no lado CC
Ramificações em série dos componentes: Instale fusíveis (como do tipo gPV de 10A) para cada série.
Entrada da caixa de junção: Instalar DPS tipo II (tensão ≤ 1,5 kV) e disjuntor CC (63 A).

4.2 Proteção no lado do CA
Saída do inversor: Configurar DPS tipo 1+2 (Iimp ≥ 12,5kA) e disjuntor de caixa moldada (250A).

4.3 Simulação de cenários de falha
Quando ocorre uma descarga atmosférica: o DPS libera a corrente de surto e limita a tensão abaixo de 2 kV; se o DPS falhar devido a um curto-circuito, o disjuntor desarma.
Em caso de curto-circuito na linha: o fusível derrete em 5 ms para evitar a propagação do efeito de ponto térmico.

V. Precauções para seleção e instalação

5.1 Seleção de SPD
Para o lado CC, deve-se selecionar um DPS específico para energia fotovoltaica (como o PVSPD) para evitar o problema de corrente reversa dos DPS CA comuns.
Deve-se considerar a margem de temperatura (Uc precisa deixar uma margem em ambientes de alta temperatura).

5.2 Correspondência entre disjuntor e fusível
A capacidade de interrupção deve ser superior à corrente máxima de curto-circuito do sistema (por exemplo, a corrente de falha da cadeia pode atingir 1,5 kA).
A corrente nominal do fusível deve ser superior a 1,56 vezes a corrente de curto-circuito (Isc) do componente (de acordo com a norma NEC 690.8).

5.3 Sugestões de integração de sistemas
O comprimento do fio entre o DPS (Dispositivo de Proteção contra Surtos) e o disjuntor deve ser ≤ 0,5 m para reduzir a tensão residual.
Devem ser realizadas inspeções regulares dos indicadores de estado do SPD e os módulos defeituosos devem ser substituídos a tempo.

VI. Tendências da Indústria e Atualizações de Normas
• Demanda de alta tensão: Com a ampla adoção de sistemas fotovoltaicos de 1500V, os níveis de tensão suportáveis ​​dos DPS (Dispositivos de Proteção contra Surtos) e disjuntores precisam ser aprimorados de forma sincronizada.

• Monitoramento inteligente: Dispositivos de proteção contra surtos (DPS) inteligentes, que integram sensores de temperatura e funções de comunicação sem fio, estão sendo gradualmente aplicados para permitir o alerta precoce remoto de falhas.

•Reforço da norma: A nova versão da norma IEC 62548:2023 impôs requisitos de coordenação mais rigorosos para dispositivos de proteção de sistemas fotovoltaicos.

Conclusão
Em sistemas fotovoltaicos, os protetores contra surtos, disjuntores e fusíveis constituem um sistema completo de proteção colaborativa "tensão-corrente". A seleção e configuração corretas desses componentes não só podem prolongar a vida útil dos equipamentos e reduzir os custos de operação e manutenção, como também são condições essenciais para garantir a operação segura das usinas. Com o desenvolvimento da tecnologia, a integração e a inteligência desses dispositivos de proteção aumentarão ainda mais a confiabilidade dos sistemas fotovoltaicos no futuro.