Sistema de Aterramento vs Sistema Fotovoltaico e o que ainda não te contaram

Imagine que o isolamento de um condutor vivo do circuito de um sistema fotovoltaico foi danificado e a corrente do condutor passa a fluir através da estrutura de fixação, dos trilhos, molduras dos módulos, eletrodutos metálicos ou inversor fotovoltaico. Esses elementos metálicos, que normalmente não fazem parte do circuito, passam a ter potencial em relação a qualquer polo no circuito CC ou CA que não esteja com defeito e pode até estar conduzindo corrente durante a operação do sistema. Esta é uma situação perigosa, porque agora existe a possibilidade de incêndio, além de risco de choque elétrico, dentre outras consequências.

Os requisitos técnicos básicos para o aterramento de sistemas elétricos e a ligação de componentes condutores em uma instalação elétrica têm sido praticamente os mesmos por muitas décadas. Apesar disso, o assunto continua sendo objeto de muita discussão e controvérsia no meio profissional. Isso se agrava ainda mais quando esses requisitos básicos são aplicados às instalações elétricas de sistemas fotovoltaicos.

Este artigo destina-se a ajudar no entendimento e dar maior clareza às instalações de sistemas de aterramento e fotovoltaicos, assim como fornecer algumas dicas importantes sobre esses requisitos técnicos que são considerados nas normas vigentes.

O que é um sistema de aterramento e do que ele é composto?

Um sistema de aterramento é o conjunto de todos os eletrodos e condutores de aterramento, interligados ou não, assim como partes metálicas que atuam direta ou indiretamente com a função de aterramento, tais como: cabos para-raios, torres e pórticos, armaduras de edificações, capas metálicas de cabos, tubulações e outros. Portanto, o sistema de aterramento é o eletrodo de aterramento em conjunto com a equipotencialização.

Figura 1 – Barramento de Equipotencialização Local (BEL)

O eletrodo de aterramento é o elemento ou conjunto de elementos condutores do sistema de aterramento que assegura o contato elétrico com a terra e dispersa a corrente de falta, de retorno ou de descarga atmosférica na terra. Ele abrange desde uma simples haste isolada até uma complexa “malha” de aterramento, constituída pela associação de hastes com cabos, podendo ser também perfis, barras, cabos nus, fitas, etc. Desta forma, o eletrodo de aterramento é composto também pelos cabos que interligam as hastes de aterramento. Aliás, a haste é complementar, conforme o item 6.4.1.1.1 da norma técnica ABNT NBR 5410:2004 [1].

Quais as funções do sistema de aterramento nos sistemas fotovoltaicos?

O sistema de aterramento em uma edificação tem diversas funções, como: promover a segurança de pessoas, de equipamentos, da edificação, proteção contra descargas atmosféricas, controlar os valores de sobretensões em fases não envolvidas em curtos-circuitos, controlar os valores de correntes de curto-circuito entre fase-terra e controlar a formação de arcos elétricos. É por este motivo que a norma NBR 5410 determina que toda edificação deve dispor de uma infraestrutura de aterramento, denominada eletrodo de aterramento.

As funções dos subsistemas de aterramento e proteção contra falhas para qualquer instalação fotovoltaica incluem o seguinte [2]:

1. Evitar ferimentos às pessoas causados por diferenças de potencial em relação ao solo, ou por arcos elétricos provocados por falhas;
2. Evitar danos aos equipamentos devido a falha no isolamento ou arcos elétricos provocados por falhas;
3. Fornecer um caminho de aterramento de baixa impedância para permitir a rápida dispersão de sobretensões;
4. Fornecer caminhos de retorno efetivos para o fluxo de corrente de falha, para que relés, fusíveis e dispositivos similares tenham um desempenho previsível;
5. Proteger o equipamento contra falhas de operação causadas por excesso de tensão ou acoplamento de corrente com fontes externas;
6. Fornecer caminhos adequados para pequenas correntes de fuga, para que elas sejam menos propensas a causar corrosão do que fluindo em caminhos dispersos.

Quando e onde se aplica a norma técnica ABNT NBR 5410:2004 em Sistemas Fotovoltaicos?

A norma técnica ABNT NBR 5410:2004 é a norma brasileira que estabelece as condições que as instalações elétricas de baixa tensão devem atender. Como as instalações elétricas de sistemas fotovoltaicos são de baixa tensão, a norma NBR 5410 deve ser aplicada, em conjunto com as suas normas complementares.

O item 1.2.3 da norma NBR 5410 informa que a mesma se aplica às instalações novas e a reformas em instalações existentes, seguida de uma nota informando que modificações destinadas a, por exemplo, acomodar novos equipamentos elétricos, inclusive de sinal, ou substituir equipamentos existentes, não caracterizam necessariamente uma reforma geral da instalação. Portanto, a norma não se aplica a instalações concluídas existentes. Dada essa informação, é importante que fique claro então que, conforme a norma NBR 5410, desde 2004 todas as instalações novas ou reformadas devem obrigatoriamente dispor de uma infraestrutura de aterramento. Sendo que essa infraestrutura de aterramento é parte integrante da edificação.

Segundo o Guia EM da norma NBR 5410 [3], considera-se como “reforma”, qualquer ampliação de instalação existente (criação de novos circuitos, alimentação de novos equipamentos, etc.), bem como qualquer substituição de componentes que implique alteração de circuito. Portanto, fica claro que a instalação de um sistema fotovoltaico é considerada uma reforma e este fato implica que a instalação elétrica do mesmo deve atender à norma NBR 5410.

Outra constatação que podemos tirar disso é que, ao instalar um sistema fotovoltaico é necessário que se tenha um sistema de aterramento. Então, se no local da instalação o sistema de aterramento não existir, o mesmo deverá ser providenciado. Se o sistema de aterramento existir e não atender às normas vigentes, o mesmo deverá ser readequado, por se tratar de uma reforma na instalação elétrica.

Existe um sistema de aterramento padrão?

Existem dois tipos de aterramento em uma instalação: o aterramento funcional que consiste na ligação à terra de um dos condutores do sistema (geralmente o neutro), com o objetivo de garantir o funcionamento correto, seguro e confiável da instalação; e o aterramento de proteção que consiste na ligação à terra das massas e dos elementos condutores estranhos à instalação, com o único objetivo de proporcionar proteção contra contatos indiretos. Algumas vezes são realizados aterramentos com as duas finalidades, funcionais e de proteção.

Além disso, o item 4.2.2.2 da norma NBR 5410 considera alguns esquemas de aterramento. A Figura 2 apresenta o esquema TN, o qual é caracterizado por ter um ponto de alimentação diretamente aterrado (aterramento funcional) e as massas são ligadas a esse ponto através de condutores de proteção. O esquema TN possui três variantes: TN-C, TN-S e TN-C-S.

Figura 2 – Esquema TN e suas três variantes: TN-C, TN-S e TN-C-S

No esquema TN-C, as funções de neutro e de proteção são combinadas em um único condutor, chamado de condutor PEN (do inglês: Protective Earth and Neutral). No esquema TN-S o condutor neutro e o condutor de proteção (PE) são distintos. O esquema TN-C-S é quando parte do sistema é TN-C e outra parte é TN-S.

A Figura 3 apresenta o esquema TT, o qual é caracterizado por possuir um ponto da alimentação diretamente aterrado (aterramento funcional), estando as massas da instalação ligadas ao eletrodo (ou eletrodos) de aterramento eletricamente distintos do eletrodo de aterramento da alimentação.

Figura 3 – Esquema TT e suas duas variantes: TT (A) e TT (B)

No esquema TT (A) as massas são ligadas a um eletrodo de aterramento comum, mas distinto do eletrodo de aterramento da alimentação (aterramento funcional). No esquema TT (B) as massas são ligadas a um eletrodo de aterramento distintos entre si e distintos do eletrodo de aterramento da alimentação (aterramento funcional).

A Figura 4 apresenta o esquema IT, o qual é caracterizado por possuir todas as partes vivas isoladas da terra ou um ponto da alimentação é aterrado através de impedância. O esquema IT possui quatro variantes: IT (A), IT (B1), IT (B2) e IT (B3). No esquema IT (A) não existe o aterramento da alimentação (aterramento funcional). No esquema IT (B) a alimentação é aterrada através de impedância.

Figura 4 – Esquema IT e suas variantes: IT (A) e IT (B).

Essa alimentação aterrada através de impedância no esquema IT (B) possui 3 variantes, que são: IT (B1), IT (B2) e IT (B3). A Figura 5 apresenta essas três variantes do esquema IT (B).

Figura 5 – Esquema IT (B) e suas variantes: IT (B1), IT (B2) e IT (B3)

No esquema IT (B1) as massas são aterradas em eletrodos separados e independentes do eletrodo de aterramento da alimentação (aterramento funcional). No esquema IT (B2) as massas são coletivamente aterradas em eletrodo independente do eletrodo de aterramento da alimentação (aterramento funcional). No esquema IT (B3) as massas são coletivamente aterradas no mesmo eletrodo de aterramento da alimentação (aterramento funcional).

Por que todos esses esquemas de aterramento e suas variantes?

Todos esses esquemas e variantes possuem sua razão de existir. Por exemplo: dependendo do tipo de consumidor e da distribuidora de energia elétrica, esta última pode exigir ou não o aterramento funcional. Em indústrias, por exemplo, é comum o neutro do transformador da subestação ser aterrado através de um resistor de aterramento com o objetivo de limitar o valor da corrente de curto-circuito entre fase e terra.

O mais comum é termos em edificações residenciais e comerciais o TN-C-S, onde o TN-C é adotado pela distribuidora de energia e o TN-S é adotado na edificação. Até porque se utilizássemos um DR não seria permitido seccionar o condutor PEN, inviabilizando o esquema TN-C na edificação. A Figura 6 mostra o esquema TN-C-S aplicado em uma edificação.

Figura 6 – Esquema TN-C-S: esquema TN-C no circuito da distribuidora de energia elétrica e TN-S no circuito da edificação.

No esquema TN-C-S o esquema TN-C é adotado na rede da distribuidora de energia elétricas e o esquema TN-S é adotado na edificação. Seguem algumas considerações a respeito do sistema de aterramento representado na Fig. 6:

1.    O eletrodo de aterramento é toda a parte enterrada do sistema de aterramento, neste exemplo consiste de hastes verticais e cabos de cobre nu;
2.    Em seguida o condutor de aterramento, o qual interliga o eletrodo de aterramento ao Barramento de Equipotencialização Principal – BEP;
3.    Cada circuito na edificação possui seus próprios condutores de neutro e de proteção;
4.    Na edificação pode existir apenas um quadro de distribuição ou mais de um quadro. Neste exemplo temos um Quadro Geral de Baixa Tensão (QGBT) e um Quadro de Distribuição (QD);
5.    O aterramento do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) está integrado ao sistema de aterramento;
6.    O quadro de distribuição da Figura 6 está representado de forma simplificada. A Figura 7apresenta o QD-FV mais detalhadamente.

Figura 7 – Detalhes de montagem do QD de um sistema fotovoltaico trifásico.

O quadro de distribuição CA do sistema fotovoltaico esta representado basicamente pelo disjuntor, DPS e barramentos. O DPS sempre está protegendo os inversores de eventuais surtos provenientes do circuito CA. Também deve ser avaliada a necessidade de um disjuntor de retaguarda para proteção do circuito ao final da vida útil do DPS. Além disso, mesmo que se tenham DPS junto ao ponto de entrada da linha elétrica na edificação ou no quadro de distribuição principal, é necessário instalar DPS também junto ao ponto de entrada da linha elétrica do sistema fotovoltaico, visto que se tratam de pontos de entrada distintos. É por esse mesmo motivo, por exemplo, que também é necessário instalar DPS na entrada dos cabos coaxiais de serviços de TV a cabo, assim como promover a equipotencialização.

E como fica o Sistema Fotovoltaico na presença de um SPDA?

Se a edificação já possuir um SPDA é necessário verificar o projeto desse SPDA para que o projetista do sistema fotovoltaico se certifique de que os dois projetos sejam compatíveis, ou seja, todos os componentes do sistema fotovoltaico devem estar dentro da zona de proteção do SPDA. Caso contrário, o SPDA deverá ser revisado e readequado. Caso tenha dúvidas, procure o profissional responsável pelo projeto do SPDA ou uma empresa especializada, pois se o sistema fotovoltaico não estiver dentro da zona de proteção do SPDA você estará colocando vidas em risco. Falaremos de Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas e Sistema Fotovoltaico em outro artigo.

Por que equipotencializar os módulos fotovoltaicos?

Os módulos fotovoltaicos devem ser equipotencializados como medida de proteção contra choques elétricos. A norma NBR 16690:2019 [4] é uma norma complementar à norma NBR 5410, sendo que os itens 4.1 e 4.2 da NBR 16690 estabelecem que os requisitos especificados nos itens 4.1 e 4.2 da NBR 5410 se aplicam. Sim, os itens possuem a mesma numeração propositalmente. O item 4.1.1 define exatamente os requisitos de proteção contra choques elétricos, o qual estabelece que as pessoas e os animais devem ser protegidos contra choques elétricos, seja o risco associado a contato acidental com parte viva perigosa, seja a falhas que possam colocar uma massa acidentalmente sob tensão.


Figura 8 – Detalhes da equipotencialação de um quadro elétrico para minimizar o risco de choque elétrico em caso de contatos indiretos.

Novamente a norma NBR 16690, agora em seus itens 5.1.1, 5.1.2.1 e 5.1.2.2, estabelece que os requisitos especificados nos itens 5.1.1, 5.1.2.1 e 5.1.2.2 da NBR 5410 se aplicam (sim, as mesmas numerações novamente). Esses itens definem como devem ser feitas as proteções contra choques elétricos. O item 5.1.2.2 estabelece os requisitos da equipotencialização e seccionamento automático da alimentação. Alguns dos requisitos apresentados e que mostram termos já utilizados aqui são:

•    Todas as massas de uma instalação devem estar ligadas a condutores de proteção;
•    Todas as massas da instalação situadas em uma mesma edificação devem estar vinculadas à equipotencialização principal da edificação;
•    Massas  simultaneamente  acessíveis  devem  estar  vinculadas  a  um  mesmo  eletrodo  de aterramento;
•    Todo circuito deve dispor de condutor de proteção, em toda sua extensão.

Portanto, devemos equipotencializar o sistema fotovoltaico justamente para assegurar que as massas  ou  partes  condutoras  acessíveis  não   ofereçam  perigo,  seja  em  condições  normais, seja em caso de falha que as tornem acidentalmente vivas.

Qual é a maneira correta de equipotencializar os módulos fotovoltaicos?

Os módulos possuem furos próprios e devidamente preparados para a função de aterramento e estes devem ser identificados com o símbolo de aterramento, conforme a IEC 61730-1 [5].

O módulo fotovoltaico possui pontos de aterramento identificados pelo símbolo:

Os módulos não devem ser perfurados, por exemplo, para fazer furos adicionais de aterramento, pois isso anulará a garantia dos mesmos. A Figura 9 mostra um exemplo de como deve ser feito o aterramento e equipotencialização dos módulos fotovoltaicos, conforme manual do fabricante [6]. A orientação do parafuso pode ser invertida para utilizar uma porca dentada.

Figura 9 – Detalhes do método de montagem da equipotencialização de um módulo fotovoltaico.

O condutor deve ser colocado entre a arruela plana e a arruela côncava. Certifique-se de que a arruela côncava está voltada para cima e que o fio não está em contato com a moldura para evitar corrosão galvânica. Aperte o parafuso utilizando a arruela dentada. Consulte o manual do fabricante para verificar o torque de aperto do parafuso. Todos  os  parafusos,  porcas,  arruelas,  arruelas  de pressão e outros equipamentos relevantes devem ser feitos de aço inoxidável.

Outros métodos de aterramento podem ser utilizados. Contudo, para métodos de aterramento alternativo, recomenda-se sempre consultar o manual do fabricante. Lembrando que eventualmente não será possível  utilizar métodos de aterramento padrão para certos modelos de módulos.

Devo equipotencializar somente os módulos fotovoltaicos?

Materiais condutores elétricos, como estrututuras metálicas de fixação dos módulos, eletrodudos metálicos, eletrocalhas, caixas metálicas e demais componentes que eventualmente podem vir a se tornar energizados devem ser equipotencializados. Afinal, toda instalação elétrica está sujeita à falhas de isolamento e a equipotencialização deve ser feita para fornecer um caminho de baixa impedância para correntes de falta.

Figura 10 – Detalhes do método de montagem da equipotencialização da estrutura de fixação.

No que diz respeito à segurança das pessoas que entram em contato com equipamentos ou partes energizadas, existem três situações que podem comprometer a segurança de uma pessoa submetida a potenciais elétricos. O potencial de passo, que é a diferença de potencial entre dois pontos na superfície do solo e que afeta uma pessoa quando ela caminha sobre essa superfície. O potencial de toque, que é a diferença de potencial entre  as  partes  metálicas aterradas e um ponto no solo. Esse é o potencial a que uma pessoa pode estar submetida ao tocar em partes metálicos de sistemas elétricos (módulos, estrutura de fixação, etc.).

O que devo considerar em um projeto de aterramento e equipotencialização de sistemas fotovoltaicos?

Outras considerações importantes no projeto de um aterramento para sistemas fotovoltaicos são [7]:

1. Sempre que possível, reduza a indutância usando condutores chatos como condutores de aterramento. Geralmente, um condutor plano usa menos cobre e tem menos indutância que um condutor circular equivalente.
2. Reduza ao mínimo o número de dobras no condutor para manter o raio das dobras o maior possível.
3. Mantenha os caminhos o mais curtos possível.
4. Mantenha os condutores de aterramento o mais próximo possível dos condutores vivos.
5. Dimensione o condutor de aterramento para transportar as correntes de pior caso.
6. Todas as conexões de metal devem ser feitas com material limpo e sem água, graxa ou oxidação nas superfícies.
7. As conexões exotérmicas são sempre melhores que as ligações de compressão.
8. As ligações de compressão devem usar metais ou ligas metálicas compatíveis com os metais que estão sendo unidos para evitar corrosão.
9. Linhas de energia, linhas telefônicas, linhas coaxiais e linhas externas de gerador devem ter dispositivos de proteção contra surtos.
10. Após a instalação de um sistema de aterramento, a resistência à terra deve ser medida com um medidor de resistência à terra apropriado.

Conclusão

Os requisitos de aterramento e equipotencialização para sistemas fotovoltaicos são geralmente os mesmos que para outros sistemas de energia elétrica. O aterramento e equipotencialização de equipamentos e sistemas são partes importantes em um sistema de energia renovável. Eles reduzem o potencial de choque elétrico, incêndios  e demais riscos associados. A aplicação adequada das normas técnicas para proteções contra choques elétricos, surtos, incêndios, proteção de equipamentos e patrimônio resultará em sistemas mais seguros, maior desempenho pela maior disponibilidade do sistema, limitará os danos aos equipamentos, evitará ferimentos que podem ser causados por falhas elétricas internas, evitará mau funcionamento dos equipamentos e até mesmo redução de custos de operação e manutenção.

Referências

[1]     Associação Brasileira de Normas Técnicas, Norma Brasileira ABNT NBR 5410:2004 - Instalações Elétricas de Baixa Tensão, versão corrigida, 2008.
[2]    W. J. Stolte, Bechtel Group, Inc., Photovoltaic System Grounding and Fault Protection Guidelines, 1985, Web.
[3]    Revista Eletricidade Moderna, Guia EM da NBR 5410, 2001.
[4] Associação Brasileira de Normas Técnicas, Norma Brasileira ABNT NBR 16690:2019 - Instalações Elétricas de Arranjos Fotovoltaicos - Requisitos de Projeto, 2019.
[5] International Electrotechnical Commission, IEC 61730-1 Ed. 1.2 b - Photovoltaic (PV) Module Safety Qualification - Part 1: Requirements for Construction, 2013.
[6] LG, Installation Instructions - Monocrystalline Solar Module LGXXXN9C(W) G4 LGXXXN1C(W,K)-G4, 2015.
[7] International Energy Agency, Utility Aspects of Grid Connected Photovoltaic Power Systems, IEA Report PVPS T501:1998, 1998.

  Por: João Paulo de Souza

Responsável técnico da Ecori Energia Solar, especialista em sistemas fotovoltaicos com tecnologia MLPE. Possui certificação para responsável de empresa de projeto e instalação de módulos fotovoltaicos pelo Instituto Totum. Mestre em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, graduação em Engenharia Elétrica Industrial e curso técnico-profissionalizante em Eletrotécnica Industrial pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão - IFMA. Membro do Comitê Técnico Brasileiro de Sistemas de Conversão Fotovoltaicas de Energia Solar ABNT/CB-003. Foi engenheiro de sistemas aeroespaciais na Binacional Alcântara Cyclone Space (ACS). Foi pesquisador colaborador no Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE). Trabalhou na montagem do Laboratório de Identificação, Navegação, Controle e Simulação (LINCS) no IAE.