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Tecnologia AFCI de Inversores Fotovoltaicos para Prevenção de Incêndios

Por: Douglas Rupolo Gomes | Coordenador de Ensino e Instrutor na Área de Energia Solar - FiberX Training

Tecnologia AFCI de inversores solares na prevenção de incêndio

Em sistemas fotovoltaicos de microgeração distribuída, o inversor é o dispositivo eletrônico cuja finalidade é converter a energia elétrica contínua em energia elétrica alternada para alimentar cargas elétricas tais como: eletrodomésticos, máquinas e equipamentos elétricos e ainda conectar-se à rede da distribuidora de energia elétrica local.


Já para usinas solares centralizadas, o inversor injeta a energia elétrica alternada na rede de transmissão antes de ser distribuída e alimentar as cargas consumidoras.


Uma função muito importante de inversores fotovoltaicos é a proteção Arc-Fault Circuit Interrupter (AFCI) que significa Interruptor de Falha de Arco Elétrico, como mostrado na figura 1. A tecnologia AFCI pode ser padrão de série ou opcional, dependendo do modelo do inversor.


A proteção AFCI é essencial para prevenir arcos elétricos em sistemas fotovoltaicos no lado de corrente contínua (CC) que corresponde ao trecho da instalação entre os módulos e a entrada do inversor.


Sistemas fotovoltaicos instalados em residências, comércios e indústrias são caracterizados por locais onde pessoas vivem ou circulam. Um arco elétrico libera grande quantidade de energia e elevadas temperaturas, podendo causar incêndio e, por consequência, colocar em risco as pessoas bem como gerar prejuízos patrimoniais. Sendo assim, a proteção AFCI melhora o nível de segurança de instalações fotovoltaicas contra incêndios, pois consegue identificar e eliminar arcos elétricos.

Datasheet mostrando a proteção AFCI de inversores

Figura 1: Datasheet mostrando a proteção AFCI de inversores. Fonte: [4]


Entendendo o Arco Elétrico

Um arco elétrico é um fenômeno de brilho provocado por uma diferença de potencial entre dois pontos que rompe a rigidez dielétrica do ar ou outro meio isolante propiciando que a corrente elétrica circule.


Como exemplo, considere dois condutores elétricos próximos submetidos a uma diferença de potencial suficiente para quebrar a rigidez dielétrica entre o espaço formado entre eles, então o ar é ionizado e consequentemente ocorre a passagem de corrente elétrica no espaço entre os condutores com liberação de grande intensidade de calor e luminosidade, o que se denomina arco elétrico, como mostrado na figura 2.

Arco Elétrico

Figura 2: Arco Elétrico. Fonte [9]


Arco Elétrico em Sistemas Fotovoltaicos

Os arcos elétricos ocorrem tanto no lado de corrente alternada (CA) quanto no lado de corrente contínua (CC) de instalações fotovoltaicas. Neste artigo, trataremos somente dos arcos elétricos CC que são mais comuns neste tipo de sistema.



Tipos de Arcos Elétricos em Sistemas Fotovoltaicos

Figura 3: Tipos de Arcos Elétricos em Sistemas Fotovoltaicos. Fonte: [2]


A figura 3 mostra um arranjo fotovoltaico, composto pela ligação série e paralela de módulos, conectado ao inversor. Na imagem, observa-se a representação dos três tipos de arcos elétricos possíveis de ocorrer no lado CC do sistema fotovoltaico: arco série, arco paralelo e arco para terra. Dentre eles, aquele que apresenta maior probabilidade de acontecer é o arco elétrico série devido as características da formação do circuito CC de sistemas fotovoltaicos com diversos pontos de conexão no trecho compreendido entre os módulos e a entrada do inversor. Arcos paralelos e arcos para terra são menos frequentes, contudo, mais perigosos.


a) Arco Elétrico Série

Um arco elétrico série é causado pelo rompimento ou desconexão de uma parte do circuito energizado, surgindo nas seguintes situações:


1. Quando ocorrer o rompimento de um condutor elétrico (por exemplo o condutor positivo), percorrido por corrente elétrica contínua;


2. Quando ocorre a desconexão de conectores MC4, na entrada do inversor ou que interligam dois módulos vizinhos, quando o circuito está energizado.


3. Em uma string box, quando for retirado o fusível com o circuito ligado.


4. Em uma string box, quando os condutores elétricos forem mal apertados nas réguas de bornes proporcionando mau contato ou sua desconexão.



b) Arco Paralelo

Um arco paralelo é causado pelo curto-circuito de condutores positivo e negativo numa condição inesperada em que a isolação deles foram danificadas.


Além disso, quando um arco série não é extinto a tempo, o intenso calor emitido pode atingir a isolação dos condutores de polaridades opostas e causar um arco em paralelo. Ao contrário de arcos série, a tecnologia AFCI não consegue ser efetiva para identificar e resolver o problema de arcos paralelos.


c) Arco para Terra

O arco elétrico para terra pode ser considerado uma forma típica de arco paralelo e resulta de uma falha de isolamento. De maneira análoga a arcos paralelos, a tecnologia AFCI não consegue identificar de maneira precisa os arcos para terra.


Princípios de Funcionamento da Função de Proteção AFCI de Inversores


O objetivo da função Interruptor de Falha de Arco Elétrico – AFCI, de inversores fotovoltaicos, é identificar e eliminar arcos elétricos de corrente contínua (CC).


a) Identificação de Arcos Elétricos

Espectrograma do Arco Elétrico

Figura 4: Espectrograma do Arco Elétrico. Fonte: [1]


Para identificar arcos elétricos série, no lado CC, o inversor realiza análise espectral. Na figura 4, a primeira imagem mostra a frequência de chaveamento do inversor, em um sistema fotovoltaico sem a presença de arco elétrico. Nas duas últimas imagens, visualiza-se um sistema afetado por um arco elétrico, cuja intensidade do ruído do arco aumenta continuamente.


O comprimento dos cabos fotovoltaicos, instalados entre os módulos e a entrada do inversor variam de projeto para projeto assim como a corrente máxima que circula neste trecho devido ao modelo dos módulos. Assim pode-se dizer que existem cenários distintos em função do comprimento dos cabos e da corrente máxima. Testes realizados por alguns fabricantes de inversores mostram que a tecnologia AFCI funciona em cenários com comprimento de cabos de até 200 metros e corrente máxima entre 26 e 30 ampères.


Inversores fotovoltaicos, com proteção AFCI de última geração, utilizam uma solução baseada em tecnologias de inteligência artificial (artificial intelligence - AI) e aprendizado profundo (deep learning). Isso proporciona a identificação de arcos elétricos com maior precisão pois o modelo aprende de forma contínua espectros desconhecidos.


b) Eliminação de Arcos Elétricos

Em uma instalação fotovoltaica, o inversor com a função de proteção AFCI fica monitorando em tempo real o circuito CC. Assim, quando ele identifica a ocorrência de um arco elétrico série realiza uma ação para eliminar o fenômeno para que não evolua para um incêndio.


A norma UL 1699B-2021 - Photovoltaic (PV) DC Arc-Fault Circuit Protection, é mais amplamente adotada e estabelece que os inversores com função AFCI agregada devem eliminar o arco elétrico em série em um tempo menor que 2,5 segundos e a energia desse arco não deve ultrapassar 750 J.


Em uma instalação fotovoltaica, o lado CA corresponde ao trecho do circuito entre a saída do inversor e o ponto de conexão com a rede da distribuidora de energia elétrica. Uma vez que o arco CC é detectado, como mostrado na figura 5, o inversor desconecta-se do lado CA e cessa a conversão de corrente CC para CA e com isso interrompe a injeção de corrente no lado CC e o arco é eliminado.


Neste processo, o inversor emite um alarme de detecção de arco elétrico que aparece em seu display local e/ou envia este alarme para uma plataforma de monitoramento remoto.


Eliminação do Arco Elétrico

Figura 5: Eliminação do Arco Elétrico. Adaptado Fonte: [1]


Considerações Finais

Em instalações fotovoltaicas residências, comerciais ou industriais, um arco elétrico tem o potencial de colocar vidas humanas em risco e gerar prejuízos de ordem financeira se não for adotado uma medida eficaz para evitar esse fenômeno.


Aos modernos inversores, com proteção AFCI, agregam-se tecnologias poderosas de AI e deep learning para identificar arcos elétricos série e eliminá-los rapidamente, interrompendo a corrente no lado CC do circuito. Dessa forma, eleva-se a segurança de instalações fotovoltaicas a um patamar superior na prevenção de incêndios.


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Referências:

[1] Goodwe. Smart, Fast and Realiable - Next-Generation Arc Fault Circuit Interrupter - White Paper.

[2] Huawei and CGC. Arc Fault Circuit Interrupter (AFCI) for PV System – Technical White Paper, August 2020.

[3] Growatt. Growatt Speed - AFCI Technology for average 0.75s.

[4] Datasheet de Inversores Sineg SN12(X)/15/17/20/25PT.

[5] O arco elétrico e o risco de incêndios em sistemas fotovoltaicos, Bruno Kikumoto, julho 2022. Disponível em: < https://canalsolar.com.br/o-arco-eletrico-e-o-risco-de-incendios-em-sistemas-fotovoltaicos/ >. [Acesso em agosto 2023].

[6] Parte 1 - Os Riscos do Arco Elétrico em Sistemas Fotovoltaicos e Soluções de Segurança, Ecori, dezembro de 2021. Disponível em: < https://www.ecorienergiasolar.com.br/artigo/-parte-1---os-riscos-do-arco-eletrico-em-sistemas-fotovoltaicos-e-solucoes-de-seguranca >. [Acesso em agosto 2023].

[7] Proteção contra arco elétrico nos inversores fotovoltaicos, Mateus Vinturini, dezembro 2020. Disponível em: < https://canalsolar.com.br/protecao-contra-arco-eletrico-nos-inversores-fotovoltaicos/ >. [Acesso em agosto 2023].

[8] Arco Elétrico, Universo Lambda, maio de 2020. Disponível em: < https://universolambda.com.br/arco-eletrico/ >. [Acesso em agosto 2023].

[9] Omazaki. Disponível em: < https://www.omazaki.co.id/en/arc-flash-definition-hazards-and-risks/ >. [Acesso em agosto 2023].


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