Introdução
Os disjuntores são componentes eletromecânicos utilizados para proteção e manobras em instalações elétricas residenciais, comerciais, industriais etc. O seu uso é necessário para proteger os condutores contra efeitos térmicos e mecânicos de sobrecargas ou curtos-circuitos.
A circulação de correntes com magnitudes superiores às previstas em projeto, como no caso de um curto-circuito, resulta em estresse mecânico nos condutores, além de possíveis danos às cargas elétricas. Assim, os disjuntores têm como principais funções: conduzir corrente sob condições nominais, interromper a continuidade do circuito em caso de correntes anormais e restabelecer a operação do sistema na eliminação da falha.
Em sistemas fotovoltaicos (FV) são utilizados disjuntores para corrente contínua (CC) e para corrente alternada (CA). Sendo importante, identificar a correta aplicação e tipo de disjuntor a ser utilizado. Um disjuntor CA não pode ser instalado para CC ou vice-versa.
Uma situação frequentemente encontrada em campo é o desarme do disjuntor CA do inversor fotovoltaico. O desarme pode parecer que ocorre “sem razão nenhuma” ou muitos atribuem a culpa ao inversor.
Como consequência do desarme do disjuntor CA o inversor é desconectado da rede elétrica local e interrompe a produção de energia elétrica. Nesse momento, há perda de receita para o proprietário.
O objetivo deste artigo é analisar os principais fatores que podem levar ao desarme de um disjuntor CA utilizado em conjunto com um inversor FV. Os principais fatores são a corrente e tensão de operação, temperatura, envelhecimento e exposição contínua a correntes elevadas. Esses fatores serão discutidos nas próximas seções.
Análise do Problema
Os disjuntores utilizados em sistemas fotovoltaicos são do tipo termomagnéticos e suas curvas de disparo são adaptadas ao condutor utilizado na instalação. Os disjuntores termomagnéticos possuem diferentes tipos de curvas de disparo, próprias para as características elétricas do circuito os quais serão conectados – Figura 1.
Em geral, para sistemas FV são utilizados disjuntores para proteção de circuitos com cargas, predominantemente, resistivas ou disjuntores com curva B (Figura 1). Nesse tipo de disjuntor a corrente de curto-circuito de acionamento é entre 3 e 5 vezes a corrente nominal CA.
Figura 1 – Curvas de atuação para disjuntores termomagnéticos.
Fonte: Siemens
Para uma boa seleção do disjuntor deve-se atender a condição abaixo:
Ib < In <Iz (1)
Onde Ib é a corrente de projeto do circuito, IN a corrente nominal do disjuntor termomagnético nas condições previstas na instalação e IZ a capacidade de condução dos condutores, nas condições previstas na instalação. Além disso, a corrente de atuação na sobrecarga deve ser menor que a capacidade de condução dos condutores, conforme a equação abaixo:
I2 < 1,45 x Iz (2)
Onde I2 é a corrente de atuação na sobrecarga. O não atendimento das condições anteriores pode resultar no desarme indesejado do disjuntor, conforme discutido nas seções abaixo.
Corrente de operação
Conforme mostrado em (1) a corrente nominal do disjuntor deve ser maior que a corrente de projeto e menor que a capacidade de condução dos condutores elétricos. Um erro comum é encontrar disjuntores mal dimensionados para o circuito em que estão sendo aplicados.
Um disjuntor com corrente nominal muito próxima ou mesmo abaixo da corrente de projeto resultará em acionamento indesejado do componente. Esse pode ser um erro proveniente de projeto, na compra do equipamento ou causado por uma instalação errônea de um disjuntor de menor capacidade.
Para o dimensionamento correto da corrente nominal do disjuntor é importante considerar um fator multiplicativo ou Fator de Serviço na corrente de projeto. Esse fator depende das cargas e do tipo de disjuntor utilizado, em geral, sendo padronizado na indústria. Assim, a corrente nominal do disjuntor pode ser calculada como:
In = FS x Ib (3)
Para cargas puramente resistivas o FS é considerado igual a 1,1. Para sistemas FV pode-se considerar um FS entre 1,1 e 1,25 ou uma margem de 10% a 25% entre a corrente de projeto e a corrente nominal do disjuntor.
Um ponto importante e muitas vezes esquecido é que a corrente de projeto é a corrente máxima e não a corrente nominal do inversor. Grande parte dos inversores strings comercializados no mercado possuem potência máxima até 10% maior que a potência nominal – Figura 2.
Figura 2 – Especificações técnicas para inversores monofásicos entre 7 kW e 10 kW.
Fonte: Canadian Solar
Por exemplo, o inversor monofásico mostrado na figura 2 possui corrente nominal de 39 A em sua potência nominal de 9 kW. Já em sua potência máxima de saída, 9,9 kW, a corrente passa a ser de 41,3A.
Essa diferença, entre corrente nominal e máxima do inversor, em conjunto com outros fatores, pode resultar no acionamento indesejado do disjuntor.
Tensão de operação
Para o dimensionamento adequado de disjuntores é importante não apenas considerar a corrente mas também a sua tensão nominal. Sob certas condições de operação esse parâmetro pode ser violado, acelerando o seu envelhecimento e reduzindo sua vida útil.
Conforme há variações de corrente injetada na rede elétrica, os inversores on-grid estão sujeitos a sobretensões no lado CA. Esse fenômeno foi descrito em um artigo anterior desse canal.
Simplificadamente, para haver fluxo de potência no sentido do inversor para a rede é preciso que a magnitude de tensão nos terminais do inversor se eleve a um valor maior que a tensão da rede elétrica local. Assim, a tensão nos terminais do inversor não é constante com o tempo. Ela depende de fatores como quantidade de inversores conectados, potência total do sistema, distância do(s) equipamento(s) até o ponto de conexão, bitola dos cabos etc.
Com isso, podem haver momentos em que a tensão de operação do inversor seja muito próxima ou mesmo ultrapasse a tensão nominal do disjuntor. Para minimizar este risco recomenda-se a utilização de disjuntores com tensão nominal de 20% a 30% maior que a tensão da rede elétrica local.
Derating de temperatura
Assim como os inversores FV, os disjuntos também são impactados pela temperatura de operação. Para os inversores a potência de saída é comprometida com a elevação de temperatura. Grande parte dos inversores apresenta potência de saída abaixo da nominal para temperaturas superiores a 45ºC.
No caso dos disjuntores acontece algo similar e a capacidade de operação do dispositivo é reduzida com o aumento da temperatura – Figura 3.
Figura 3 – Tabela com coeficientes de ajustes de temperatura para disjuntores termomagnéticos.
Fonte: Metaltex
Todo disjuntor apresenta um coeficiente de ajuste para temperatura. Esse coeficiente vai ajustar a corrente nominal do disjuntor para valores maiores ou menores que sua temperatura nominal.
Por exemplo, na figura 3 são exibidos os coeficientes de ajuste de temperatura para disjuntores até 60 A de um fabricante. Observa-se que a temperatura nominal do dispositivo é de 30ºC, valor em que o coeficiente é unitário e não há alterações na sua corrente de operação.
Para temperaturas acima de 30ºC o coeficiente de ajuste é menor que a unidade. Isso significa que haverá redução na capacidade de condução e o disjuntor pode ser acionado para correntes menores que seu valor nominal. Assim, um disjuntor de 40 A a 30ºC poderá ser utilizado em temperaturas maiores, porém a sua capacidade de condução deverá ser reavaliada. Para uma temperatura ambiente de 50ºC a capacidade desse disjuntor cai para apenas 34,8 A. Caso a temperatura ambiente seja de 10ºC esse mesmo disjuntor poderá conduzir até 42,8 A, indefinidamente.
Podemos concluir que a corrente máxima admissível em um disjuntor depende da temperatura ambiente. A temperatura ambiente é a temperatura dentro do invólucro ou painel em que os disjuntores estão instalados. Por isso é importante instalar o disjuntor em um invólucro adequado, com espaço suficiente, distanciamento entre outros disjuntores e abrigado da luz solar.
Exposição contínua a altas correntes
Frequentemente é identificado que o acionamento do disjuntor ocorre para um valor de corrente abaixo do seu valor nominal, ou seja, não ocorre por razão de uma sobrecarga padrão ou curto-circuito. Por isso, além do efeito da temperatura e do derating térmico é preciso considerar que os disjuntores para aplicações FV estão constantemente submetidos a correntes elevadas e próximas ao seu valor nominal.
Em sistemas FV os horários de picos de geração ocorrem entre as 10h e às 14h. Nesse período, a corrente de saída do inversor estará se aproximando do seu valor máximo e o estresse térmico no disjuntor será acentuado. A intensidade e a duração da corrente que circula pelo disjuntor irão afetar diretamente em sua temperatura de operação e capacidade de condução.
Com o tempo o ciclo diário de correntes altas e baixas, dilatação e contração dos componentes internos, resulta no envelhecimento do disjuntor. Como consequência do envelhecimento dos componentes, o disjuntor perde parte da sua capacidade de condução e tende a ser acionado em correntes inferiores à sua nominal. Nesse caso, a substituição do disjuntor por um novo é mais recomendado.
Erros de instalação
Erros de instalação são uma das causas mais comuns para problemas com disjuntores no lado CA da instalação FV. É comum que instaladores não observem o torque correto ou não utilizem as ferramentas apropriadas para instalação do disjuntor. Um cabo com torque excessivo ou baixo resulta em uma conexão elétrica de alta resistência. Por sua vez, um ponto de alta resistência aumenta a tensão de operação do inversor, além de causar pontos quentes e possíveis danos ao disjuntor – Figura 4.
Figura 4 – Disjuntores danificados devido a conexão incorreta em seus terminais.
Cabos com acabamento e terminações imperfeitas também podem resultar no mesmo efeito observado nos disjuntores da figura 4. Outro ponto importante é a caixa elétrica que vai comportar os disjuntores. Essa caixa deve ser de tamanho suficiente para permitir que o disjuntor opere dentro das temperaturas previstas no projeto, mantendo um distanciamento adequando em relação a outros disjuntores ou componentes na mesma caixa.
Considerações Finais
A aplicação de disjuntores em sistemas fotovoltaicos requer atenção especial, de forma a evitar o desarmamento do componente em momentos indesejados. O primeiro item a ser verificado é o projeto elétrico e se a instalação seguiu as suas indicações de projeto.
Os disjuntores devem ser dimensionados de acordo com sua aplicação (CC ou CA), corrente e tensão de projeto, corrente de curto-circuito, curva de atuação entre outros itens encontrados nas folhas de dados fornecidas pelos fabricantes. A folha de dados do disjuntor deve estar disponível para consulta e sempre ser referenciada quando necessário.
Geralmente, o acionamento do disjuntor é devido a informações que não foram consideradas durante o projeto ou instalação do equipamento. Fatores como corrente máxima do inversor FV e derating térmico do disjuntor devem ser considerados para evitar a abertura do disjuntor com correntes abaixo da nominal. Além disso, o envelhecimento do disjuntor com o ciclo térmico diário deve ser investigado através de consultas com o fabricante e sua folha de dados.
Por fim, as boas práticas de instalação devem ser sempre priorizadas. Um bom projeto, com equipamentos de qualidade não serão suficientes se a instalação conter erros que possam a vir danificar ou comprometer o desempenho e segurança do sistema FV.
Referências
https://www.solucoesindustriais.com.br/images/produtos/imagens_10323/mini-disjuntor.pdf
https://semanaacademica.org.br/system/files/artigos/artigo_disjuntores.pdf
https://sbpe.org.br/index.php/rbe/article/download/559/432/
https://www.solaredge.com/br/service/support