A instalação de um sistema fotovoltaico vai muito além do que apenas dimensionar a quantidade de módulos e inversor(es) com objetivo de produzir a quantidade de energia necessária para compensar o consumo da sua conta de energia. Como qualquer outra instalação elétrica, deve-se tomar alguns cuidados com a proteção de equipamentos e de pessoas que frequentam o local, minimizando ou até mesmo eliminando eventuais riscos ligados à eletricidade. Neste artigo será introduzido o DPS (Dispositivo de Proteção contra Surtos), um equipamento fundamental na proteção dos componentes do sistema fotovoltaico.
O que é um DPS?
O DPS é um dispositivo que tem a função de proteger a instalação elétrica e equipamentos conectados a ela de surtos transitórios de tensão. Esses surtos podem ser provocados por manobras no sistema de potência (rede da concessionária) ou por descargas atmosféricas diretas ou indiretas na instalação.
Quando ocorre um surto em um sistema, o DPS tem a função de desviar esse surto para a terra em um período de tempo muito pequeno, deixando passar apenas uma tensão que os equipamentos são capazes de suportar sem danificar sua isolação. A ligação do DPS é feita conectando a fase na entrada e o terra na saída, assim quando se tem uma tensão maior que a tensão de operação do DPS, ele fecha um curto circuito entre fase e terra desviando a corrente para o sistema de aterramento.
Como o DPS protege os equipamentos?
A sobretensão é a grande responsável pela maioria dos danos causados aos equipamentos eletrônicos. Quando um equipamento é submetido a uma tensão maior que a sua tensão de suportabilidade por um intervalo de tempo considerável, pode haver um rompimento em sua isolação levando-o a queima e a danos irreparáveis.
Cada equipamento elétrico tem um nível de suportabilidade em seus terminais durante um intervalo de tempo, e o DPS tem a função de evitar que a sobretensão que chega ao equipamento ou instalação supere esse valor. Como alguns fabricantes não informam qual é o nível de tensão suportável em cada equipamento, há algumas condições mínimas de suportabilidade que eles devem atender em função de sua aplicação. A figura abaixo exemplifica melhor o que foi explicado até aqui:
Na figura pode-se tirar as seguintes conclusões:
- A instalação elétrica dentro de uma edificação deve suportar surtos de até 4 kV (área LPZ1). Com isso um DPS classe I, instalado no quadro principal da instalação, deve trazer o surto de 6 kV, vindo da área externa LPZ0, para valores menores que 4 kV, normalmente em torno de 2 kV.
- Nos quadros de distribuição, a norma diz que a instalação deve suportar um surto de até 2,5 kV. Os DPS classe II irão trazer o surto nesse ponto para valores inferiores a 2,5 kV, normalmente próximo de 1,3 kV.
- Equipamentos eletrônicos sensíveis ou especialmente protegidos, deverão suportar no mínimo 1,5 kV. A instalação de DPS classe III nesses locais vai trazer o surto para valores inferiores a 1,5 kV, normalmente em torno de 1,0 kV.
Os valores da figura foram retirados da Tabela 31 da NBR 5410:2005 como pode ser observado abaixo:
DPS em sistemas fotovoltaicos
O sistema fotovoltaico apresenta uma particularidade que deve ser levada em consideração: o uso de corrente alternada e corrente contínua durante seu funcionamento. Devido a este fato, deve-se proteger ambos os lados com seus respectivos DPS, ressaltando que o dispositivo de proteção para corrente alternada e corrente contínua não são compatíveis para serem utilizados em circuitos com tipo de alimentação diferente do que foram projetados. Ou seja, DPS CC só podem ser utilizados em circuitos de corrente contínua, o mesmo serve para os DPS de corrente alternada.
No Brasil utiliza-se como referências duas normas para a aplicação de DPS em instalações: a NBR 5410:2005 e a NBR 5419:2015. Ambas mostram conjuntamente como os DPSs devem ser projetados, instalados, inspecionados e preservados. Já para norma de produtos a NBR IEC 61643-1:2007 é a norma nacional vigente, apresentando as características básicas do DPS e os métodos de como eles devem ser ensaiados.
Como citado anteriormente, o DPS fecha um curto entre fase e terra quando uma tensão superior a máxima tensão de operação dos dispositivos chega em seus terminais, limitando o valor das sobretensões de modo que os equipamentos a serem protegidos não sejam danificados. Entretanto, essa operação é finita, e no fim de sua vida útil, o DPS pode não voltar ao seu estado original formando um curto circuito permanente. Essa situação traz riscos de incêndio às instalações uma vez que o DPS se torna uma fonte de calor.
Para resolver esse problema, em sistemas em corrente alternada, uma alternativa é colocar dispositivos de proteção na retaguarda do DPS, podendo ser um disjuntor ou um fusível, que servirão como dispositivos de desconexão. Assim, com a queima ou o não funcionamento do DPS, os dispositivos de retaguarda irão atuar eliminando os riscos de incêndio. Há alguns fabricantes que já incorporaram esta proteção no interior do DPS, excluindo a necessidade da instalação de dispositivos de desconexão externos.
Porém, para circuitos em corrente contínua a situação é um pouco mais complicada. As correntes de curto circuito em sistemas fotovoltaicos são próximas das correntes nominais dos conjuntos de módulos fotovoltaicos, com isso, os fusíveis de retaguarda não enxergam a corrente de curto como uma anomalia no sistema, fazendo com que eles não atuem, deixando de proteger a instalação. Os DPS que seguem a norma NBR IEC 61643-1 não conseguem fazer essa desconexão de forma segura, tornando-os incompatíveis no uso em sistemas fotovoltaicos para corrente contínua. Há uma norma europeia em que os DPSs produzidos seguindo suas orientações conseguem extinguir o arco e eliminar os riscos de incêndio, trata-se da norma EN 50539-11. Os DPS em corrente contínua utilizados em sistemas FV devem seguir esta norma, uma vez que pela NBR 5410, quando há ausência ou omissão de normas nacionais, devem ser aplicadas normas internacionais ou estrangeiras.
Em sistemas fotovoltaicos é usual a instalação de DPS de corrente contínua nas chamadas string box, que são as caixas de junção das strings dos módulos. Esses DPS irão proteger os módulos e também a entrada em corrente contínua do inversor. Já os DPS de corrente alternada, são instalados em quadros de distribuição em que o sistema é conectado, ou também em quadros de proteção CA próprios dos inversores. Alguns inversores já contam com DPS interno para ambas as proteções. Nesses casos é fundamental verificar a especificação desses dispositivos para assegurar que o sistema esteja protegido de forma adequada.