As falhas de aterramento CC são o tipo mais comum de falha em sistemas fotovoltaicos e metade delas não são detectadas. Uma falha de aterramento CC é a condição indesejável da corrente fluindo pelo condutor de aterramento do equipamento nos circuitos que transportam energia em CC (antes do inversor). As falhas de aterramento podem ocasionar problemas de segurança significativos, como falhas de arco e, no caso de alta tensão, flashes de arco. Além de representar um risco à segurança, as falhas de aterramento criam um risco de incêndio, pois o metal exposto é aquecido pela corrente de curto-circuito.
Para entender melhor uma falha de aterramento CC, vamos revisar algumas terminologias e dar uma olhada no interior de um sistema fotovoltaico.
A terminologia aterramento, conforme definida no Código Elétrico Nacional, é:
- Condutor de Aterramento do Equipamento (CAE) = "O(s) caminho(s) condutor(es) que fornece(m) um caminho de corrente de falha de aterramento e conecta as partes metálicas do equipamento normalmente não transportadoras de corrente ao condutor aterrado do sistema ou ao condutor do eletrodo de aterramento, ou ambos.
- Condutor de Eletrodo do Aterramento (CEA) = "Um condutor usado para conectar o condutor aterrado do sistema ou o equipamento a um eletrodo de aterramento ou a um ponto no sistema de eletrodo de aterramento".
- Condutor aterrado = "Um sistema ou condutor de circuito que é intencionalmente aterrado".
Figura 1: Sistema fotovoltaico com aterramento negativo (lado CC)
O CAE é usado para unir todas as partes condutoras (módulos, rack) e fornecer um caminho para o CEA. O CEA conecta o CAE e, portanto, todo o sistema, ao eletrodo de aterramento. O eletrodo de aterramento é uma grande haste de metal cravada na terra com pelo menos 2,5 metros de profundidade. Geralmente é cobre, alumínio ou alumínio revestido de cobre.
Em uma falha de aterramento CC, a corrente flui pelo CAE ou qualquer peça de metal que esteja aterrada devido ao contato não intencional com o condutor aterrado. Esse contato normalmente ocorre devido ao isolamento do condutor danificado, instalação inadequada, fios presos e água, o que pode criar uma conexão elétrica entre o condutor e o CAE.
Por que as falhas de aterramento na CC são perigosas?
As falhas de aterramento na CC são particularmente perigosas em grandes sistemas fotovoltaicos porque podem passar facilmente despercebidas. Os Dispositivos de Proteção Contra Falha de Aterramento (DPCFA) não detectam a pequena corrente (< 1 ampere) vazando em uma falha de aterramento, por isso é chamado de "ponto cego".
No caso de uma segunda falha com corrente maior na qual o DPCFA desarmaria o circuito, a falha de aterramento na CC inicial torna-se um caminho paralelo para corrente massiva. Foi exatamente o que aconteceu no grande incêndio de Bakersfield, na Califórnia, em 2009, em um painel fotovoltaico de 383kW. Uma falha de aterramento inicial de 2,5A em um condutor 12 AWG tornou-se o caminho para uma segunda falha de aterramento de 311A, em que uma junta de expansão foi separada em um grande cabo de saída 500MCM (7,7AWG). Enquanto o DPCFA eliminou a segunda falha de aterramento, as altas correntes retornaram pela primeira falha de aterramento não detectada, derretendo rapidamente o isolamento do condutor e iniciando um incêndio.
Como as falhas de aterramento em CC são detectadas, diagnosticadas e mitigadas?
Conforme mencionado, a detecção de uma falha de aterramento na CC é difícil, particularmente em grandes sistemas fotovoltaicos. Isso ocorre porque as falhas de aterramento CC geralmente são menores do que a sensibilidade mínima do dispositivo DPCFA. As técnicas para detectar falhas de aterramento CC incluem monitoramento de resistência de isolamento e detectores de corrente residual (DCRs). É aconselhável realizar um teste de aterramento usando um monitor de resistência de isolamento todas as manhãs para medir a resistência ao aterramento. Isso deve ser executado enquanto a matriz está em condição de circuito aberto. O teste revela duas possibilidades, a resistência de isolamento está acima do mínimo e o sistema pode iniciar, ou a resistência de isolamento está abaixo do mínimo, o que indica isolamento danificado e o potencial para uma falha de aterramento. Além disso, os DCRs podem ser colocados em condutores de matriz para medir a corrente anormal que indicaria uma falha de aterramento.
Técnicas de diagnóstico
Mesmo quando o Interruptor de Detecção de Falha de Aterramento (IDFA) no conversor desarma com sucesso o circuito, pode ser difícil localizar a fonte de uma falha de aterramento. Primeiro, os técnicos devem verificar se o IDFA passou por um teste de continuidade. Um teste de continuidade é executado colocando os terminais de um multímetro nas extremidades de metal de um fusível e girando a posição até a resistência. Se a resistência for alta, o fusível estará queimado e deve ser substituído. Em seguida, os técnicos devem realizar um teste de resistência de isolamento nos condutores usando um testador de isolamento. Neste teste, uma tensão é aplicada nos condutores, gerando uma corrente no fio que é medida (e comparada com uma linha de base para isolamento em boas condições) para determinar o estado da resistência de isolamento.
Na prática, identificar a fonte de uma falha de aterramento pode ser um desafio, uma vez que uma falha de aterramento pode ocorrer entre o condutor aterrado e o CAE ou um componente metálico em qualquer ponto do circuito. Para determinar a fonte de uma falha de aterramento:
- Certifique-se de que o conversor esteja isolado da matriz removendo os condutores positivo e negativo;
- Feche a desconexão de CC para colocar uma tensão ativa nos condutores;
- Meça a tensão entre os condutores positivo e negativo para determinar a tensão de circuito aberto da matriz; e
- Meça o positivo e o negativo com o terra.
Se não houver falha de aterramento, deve haver 0 volts para o aterramento de qualquer um dos condutores. Se houver tensão para o aterramento de qualquer um dos condutores, verifique cada ponto de conexão (desconexão de CC, caixa combinadora) até a matriz. Assim que a falha for descoberta, substitua os fios e mantenha um registro dos testes e substituições.
Qual é o futuro da prevenção de falhas de aterramento de CC em sistemas fotovoltaicos?
Falhas de aterramento CC podem ser evitadas usando inversores sem transformador (não isolados), os quais 1) têm componentes eletrônicos sensíveis que podem detectar uma falha tão baixa quanto 300 mA e 2) não têm um condutor aterrado, reduzindo assim a possibilidade de corrente indesejada à terra. Em vez de inverter a CC para a CA com indução eletromagnética, os conversores sem transformador empregam componentes eletrônicos para a conversão e não são isolados eletricamente por um núcleo de ferro. Ao contrário dos conversores praticamente aterrados com transformadores com fusíveis GFP, eles podem detectar pequenas faltas à terra e desarmar o circuito de maneira eficaz. Outra estratégia cada vez mais comum é o uso de eletrônica de potência de nível de módulo (MLPEs), que pode desligar a energia de um módulo individual.
A prevenção, detecção e diagnóstico com êxito de faltas ao aterramento de CC são parte de um plano de comissionamento mais amplo para sistemas fotovoltaicos, que será o assunto do próximo artigo desta série.
Sobre o especialista
Michael Ginsberg é um especialista em energia solar, instrutor do Departamento de Estado dos EUA, autor e doutorando em Ciências da Engenharia na Universidade de Columbia. Ele também é CEO da Mastering Green, e treinou quase mil técnicos no mundo todo em instalação, manutenção e operação de energia solar fotovoltaica.