Seleção de Dispositivos de Proteção contra Surtos para Sistemas Fotovoltaicos – Tipos de DPS
A geração de energia fotovoltaica (FV) é uma importante fonte de energia renovável e altamente competitiva economicamente em comparação com a geração de energia tradicional. Pequenos sistemas FV distribuídos, como painéis solares em telhados, estão se tornando cada vez mais populares. Os sistemas FV em telhados envolvem distribuição de corrente alternada (CA) e corrente contínua (CC), com tensões que chegam a 1500 V. O lado CC, especialmente os painéis FV, pode ser diretamente exposto a descargas atmosféricas em áreas de alto risco, tornando-os vulneráveis a danos causados por raios.
A proteção contra raios em edifícios divide-se em proteção externa (Sistema de Proteção contra Raios, SPR) e proteção interna (Dispositivos de Proteção contra Surtos, DPS), com base no risco de raios. Os Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS), como parte da proteção interna, protegem contra sobretensões transitórias causadas por raios atmosféricos ou manobras de chaveamento. Os DPS são instalados externamente aos equipamentos protegidos e funcionam principalmente da seguinte forma: quando não há surto no sistema elétrico, o DPS não afeta significativamente o funcionamento normal do sistema que protege. Quando ocorre um surto, o DPS oferece baixa impedância, desviando a corrente do surto através de si e limitando a tensão a um nível seguro. Após a passagem do surto e a dissipação de qualquer corrente residual, o DPS retorna a um estado de alta impedância.
1. Local de instalação de dispositivos de proteção contra surtos (DPS)
A localização de instalação dos DPS (Dispositivos de Proteção contra Surtos) é determinada de acordo com o grau de ameaça de raios e com base no conceito de Zonas de Proteção contra Raios (ZPR) da norma IEC 62305. As sobretensões transitórias são progressivamente reduzidas a um nível seguro, que deve ser inferior à tensão suportável do equipamento protegido. Como ilustrado na Figura, os DPS são instalados nos limites dessas zonas, dando origem ao conceito de proteção contra surtos multinível utilizado em sistemas de baixa tensão. Para sistemas fotovoltaicos, o foco é impedir que surtos de raios entrem pelos lados CA e CC, protegendo assim componentes críticos como inversores.
2. Classes de teste de dispositivos de proteção contra surtos (DPS)
De acordo com a norma IEC 61643-11, os DPS (Dispositivos de Proteção contra Surtos) são classificados em três categorias de teste com base no tipo de impulso de corrente de raio que devem suportar. Os testes do Tipo I (marcados como T1) visam simular correntes parciais de raio que podem ser conduzidas para dentro de um edifício. Utilizam uma forma de onda de 10/350 µs, como mostrado na Figura abaixo, e são normalmente aplicados na fronteira entre LPZ0 (Zona de Baixa Tensão 0) e LPZ1 (Zona de Baixa Tensão 1) — como em quadros de distribuição principais ou entradas de transformadores de baixa tensão. Os DPS para este nível são geralmente do tipo de comutação por tensão, com componentes como tubos de descarga de gás ou centelhadores (por exemplo, centelhadores de chifre ou centelhadores de grafite).
Os testes de Tipo II (T2) e Tipo III (T3) utilizam impulsos de menor duração. Os DPS de Tipo II são geralmente dispositivos limitadores de tensão que utilizam componentes como varistores de óxido metálico (MOVs). Eles são testados com uma corrente de descarga nominal utilizando uma forma de onda de corrente de 8/20 µs (ver Figura abaixo) e são responsáveis por limitar ainda mais a tensão residual de surto proveniente do dispositivo de proteção a montante. Os testes de Tipo III utilizam um gerador de ondas combinado com um impulso de tensão de 1,2/50 µs e um impulso de corrente de 8/20 µs (ver Figura abaixo), simulando surtos mais próximos do equipamento de uso final.
3. Tipo de conexão do dispositivo de proteção contra surtos (DPS)
Existem dois modos principais de proteção contra sobretensões transitórias. O primeiro é a proteção de modo comum (CT1), projetada para proteger contra surtos entre condutores energizados e o PE (terra de proteção). Descargas atmosféricas, por exemplo, podem introduzir altas tensões em relação ao terra em um sistema. A proteção de modo comum ajuda a mitigar o impacto de tais perturbações externas, como descargas atmosféricas, conforme ilustrado abaixo.
A segunda é a proteção em modo diferencial (CT2), que protege contra surtos entre o condutor de fase (L) e o condutor neutro (N). Esse tipo de proteção é especialmente importante para lidar com distúrbios internos, como ruído elétrico ou interferência gerados dentro do próprio sistema, conforme mostrado no diagrama abaixo.
Ao implementar um ou ambos os modos de proteção, os sistemas elétricos podem ser melhor protegidos contra possíveis fontes de surtos, aumentando, em última análise, a vida útil e a confiabilidade dos equipamentos conectados.
É importante observar que a seleção dos modos de proteção do DPS deve estar alinhada com o sistema de aterramento instalado. Para sistemas TN, os modos de proteção CT1 e CT2 podem ser utilizados. No entanto, em sistemas TT, o CT1 só pode ser aplicado a jusante de um DR. Em sistemas IT — particularmente aqueles sem condutor neutro — a proteção CT2 não é aplicável. Esta é uma consideração crítica em sistemas de distribuição CC que utilizam configurações de aterramento IT. Mais detalhes podem ser encontrados na tabela abaixo.
4. Parâmetros-chave dos dispositivos de proteção contra surtos (DPS)
De acordo com a norma internacional IEC 61643-11, as características e os testes de DPS (Dispositivos de Proteção contra Surtos) conectados a sistemas de distribuição de energia de baixa tensão são definidos, conforme mostrado na Figura 7.
(1) Nível de proteção de tensão (para cima)
O aspecto mais importante na seleção de um DPS é o seu nível de proteção contra sobretensão (Up), que caracteriza o desempenho do DPS na limitação da tensão entre os terminais. Esse valor deve ser superior à tensão máxima de fixação. Ela é atingida quando a corrente que flui pelo DPS se iguala à corrente de descarga nominal In. O nível de proteção contra sobretensão selecionado deve ser inferior à tensão suportável a impulsos Uw da carga. Em caso de descargas atmosféricas, a tensão nos terminais do DPS geralmente é mantida abaixo de Up. Para sistemas fotovoltaicos CC, a carga geralmente se refere aos módulos fotovoltaicos e inversores.
(2) Tensão máxima de operação contínua (Uc)
Uc é a tensão CC máxima que pode ser aplicada continuamente ao modo de proteção do DPS (Dispositivo de Proteção contra Surtos). Ela é selecionada com base na tensão nominal e na configuração de aterramento do sistema e serve como o limiar de ativação do DPS. Para o lado CC de sistemas fotovoltaicos, Uc deve ser maior ou igual a Uoc Max do arranjo fotovoltaico. Uoc Max refere-se à maior tensão de circuito aberto entre os terminais de fase e entre o terminal de fase e o terra no ponto designado do arranjo fotovoltaico.
(3) Corrente de descarga nominal (em)
Este é o valor de pico de uma corrente com forma de onda de 8/20 μs que flui através do DPS, usado para testes do Tipo II e para testes de pré-condicionamento nos Tipos I e II. Tipo IIA norma IEC exige que o DPS suporte pelo menos 19 descargas de corrente com forma de onda de 8/20 μs. Quanto maior o valor de In, maior a vida útil do DPS, mas o custo também aumenta.
(4) Corrente de Impulso (Iimp)
Definida por três parâmetros: corrente de pico (Ipico), carga (Q) e energia específica (W/R), essa corrente é usada em Tipo I testes. A forma de onda típica é de 10/350 μs.