Parte 1 - Os Riscos do Arco Elétrico em Sistemas Fotovoltaicos e Soluções de Segurança

A quantidade de sistemas fotovoltaicos sendo instalados no Brasil aumenta de forma exponencial, assim como ocorreu e ainda ocorre em vários outros países. Contudo, as instalações elétricas de sistemas fotovoltaicos possuem algumas particularidades que as diferem de instalações elétricas convencionais, das quais falaremos de maneira mais detalhada a seguir. Dentre estas particularidades está o arco elétrico, o qual ocorre de maneira diferente em uma parte específica da instalação elétrica de um sistema fotovoltaico.

As três principais falhas catastróficas em arranjos fotovoltaicos são faltas à terra, faltas linha-linha e arco elétrico [1]. O calor e a energia de um arco elétrico podem provocar choques elétricos, queimaduras e incêndios, sendo que este último representa um risco ainda maior à pessoas e patrimônio.

Neste artigo falaremos sobre o que é um arco elétrico, qual a sua natureza física, quando e por quê ele ocorre, quais os tipos de arco elétrico, qual a diferença entre um arco em corrente alternada e corrente contínua, quais os riscos específicos do arco em sistemas fotovoltaicos, como evitar e/ou reduzir os riscos do arco elétrico, histórico nos mercados mais maduros, ocorrências no Brasil e normas que tratam do tema.

Falta ou Falha? Eis a questão

Em sistemas elétricos, as palavras falta e falha não podem ser usadas como sinônimos, pois possuem significados diferentes. Uma falta é um desvio não permitido, de pelo menos uma propriedade característica do sistema, da condição padrão, aceitável e usual. Uma falha é uma interrupção permanente da capacidade de um sistema de executar uma função exigida sob condições operacionais especificadas [2].

Quando em uma instalação ou em um equipamento, duas ou mais partes, que estejam sob potenciais diferentes, entram em contato acidentalmente, seja por falha de isolamento entre si ou com uma parte aterrada, temos uma falta. Uma falta pode ser direta, quando as partes encostam efetivamente, isto é, quando há contato físico entre elas, ou indireta quando não há contato físico e sim um arco entre as partes [3].

Figura 1 – Condutores com falha de isolamento - Falta indireta (arco paralelo).

Portanto, neste contexto, uma falha de isolamento provocou uma falta indireta, criando um o arco elétrico. É dito, neste contexto, porque um arco elétrico pode não ser acidental e sim proposital. Por exemplo, o arco elétrico pode ser aplicado de maneira intencional em fornos a arco, solda a arco, lâmpadas de arco elétrico, dentre outros. Neste artigo trataremos apenas do arco elétrico como uma falta.

O que é um arco elétrico?

Um arco elétrico é a circulação de corrente através do ar, provocada por qualquer descontinuidade nos condutores ou falhas de isolamento em condutores adjacentes que transportam corrente [4].

Figura 2 – Descontinuidade no condutor - Falta indireta (arco em série).

Uma diferença grande de tensão entre dois pontos separados apenas por um pequeno entreferro pode levar a um arco elétrico [5]. Um arco é uma “descarga de plasma” [6].

Em outras palavras, um arco elétrico é o fluxo de energia elétrica através de um entreferro por meio de moléculas de gás ionizado. O ar normalmente é considerado um meio não condutor, mas uma grande diferença de potencial (tensão) entre dois condutores muito próximos pode fazer com que as moléculas de ar se decomponham em seus constituintes ionizados (chamado de plasma), o qual poderá então transportar cargas elétricas de um condutor para outro. Este fluxo de carga (elétrons) quando sustentado, resulta em um arco brilhante que gera calor, rompendo o isolamento do fio e provocando um incêndio.

Qual a diferença entre um arco em c.c. para um arco em c.a.?

Embora os arcos elétricos possam ocorrer tanto em circuitos de corrente alternada quanto de corrente contínua, os arcos em corrente contínua são menos compreendidos e tendem a permanecer por mais tempo [5]. Comparado a um sistema de corrente alternada, um arco no sistema em corrente contínua pode levar a um arco sustentado porque a corrente através do arco c.c. não é periódica e também não tem cruzamento por zero [4].

Na situação errada, os arcos c.c. podem ser sustentados por um período significativo de tempo e, por serem tão quentes, podem fazer com que quase qualquer material nas proximidades pegue fogo [5].

Por que o arco elétrico ocorre em sistemas FV?

Em sistemas fotovoltaicos, os arcos normalmente ocorrem em conexões de string - nos conectores entre os módulos, nas conexões na caixa de junção do módulo e nas terminações nas stringbox (combiner boxes) [7]. Os arcos podem ocorrer também no módulo e nos inversores fotovoltaicos, assim como nos circuitos de corrente alternada da instalação.

Módulos que usam determinados tipos de encapsulante ou módulos que são construídos de modo que as células ficam muito próximas da moldura de alumínio podem apresentar problemas de arco. Por isso que testes de qualificação de módulos como os testes de calor úmido e os testes de corrente de fuga em condições úmidas presentes na IEC 61215 são requeridos atualmente.

Devido ao requisito da presença de uma diferença grande de tensão, os módulos FV individuais e até mesmo os sistemas FV que operam com tensão baixa não são susceptíveis de sofrer arco. Por outro lado, os sistemas que operam com uma tensão muito alta (> 1000 V) são muito mais propensos a sofrer problemas de arco [5].

Em sistemas tradicionais de string, enquanto o sol estiver brilhando, teremos a presença constante de tensões altas em corrente contínua em seu telhado. Com a energia sendo convertida de c.c. para c.a. no final da string e não diretamente no módulo, uma tensão de até 1000V está sendo produzida e conduzida através do telhado. Este pode ser um perigo grave que pode provocar um arco elétrico e consequentemente um incêndio [8].

Quais são os tipos de arco elétrico em sistemas FV?

Existem três tipos principais de arcos elétricos em circuitos c.c. de sistemas fotovoltaicos:

1)     Série - um arco em série ocorre quando uma conexão abre circuitos enquanto os módulos estão produzindo corrente. Qualquer conexão defeituosa ou condutor interrompido em qualquer parte do circuito c.c. tem o potencial de produzir um arco.

2)     Paralelo - arcos em paralelo ocorrem quando dois condutores de polaridade oposta no mesmo circuito c.c. entram em contato. A tensão dentro da maioria dos módulos é geralmente muito baixa para que ocorra um arco paralelo. Em sistemas de string, arcos paralelos são mais prováveis de ocorrer nos condutores, onde tensões mais altas são frequentemente encaminhadas pelos condutores.

3)     Para a terra – arcos para a terra resultam de uma falha de isolamento; em um lugar se o arranjo estiver aterrado ou em dois lugares se o arranjo não estiver aterrado. Em um arranjo não aterrado, a primeira falta à terra aterra o arranjo. Normalmente, os caminhos de falta à terra não são capazes de transportar as altas correntes encontradas em sistemas fotovoltaicos, portanto, os caminhos superaquecem, levando a um arco.

Quais são os riscos?

Sistemas fotovoltaicos, particularmente nos circuitos em corrente contínua, trazem riscos além daqueles originados de sistemas de potência convencionais em corrente alternada, incluindo a capacidade de produzir e sustentar arcos elétricos com correntes que não são maiores do que as correntes normais de operação.

O tipo de arco elétrico mais provável de ocorrer em um sistema fotovoltaico é o arco em série. Arcos em paralelo são mais difíceis de serem extintos, mas também são menos prováveis de ocorrer. Contudo, se um arco em série não for extinto rapidamente, ele pode se propagar e envolver condutores adjacentes produzindo arcos em paralelo [9]. Como os arcos em série mantêm o caminho normal da corrente, eles não são detectados por dispositivos de proteção contra curto-circuito ou falha de aterramento [7]. Além disso, Arcos elétricos podem ser formados em um arranjo fotovoltaico com correntes de falta que não provocariam a atuação de um dispositivo de proteção contra sobrecorrente [9].

Os problemas de segurança típicos em sistemas fotovoltaicos são [10]:

a)     A alimentação dos módulos fotovoltaicos não pode ser desligada (pois não é possível desligar o sol), portanto, devem ser tomadas precauções especiais para garantir que as partes energizadas não estejam acessíveis ou não possam ser tocadas durante a instalação, uso e manutenção. Em sistemas FV tradicionais de string, uma série de módulos fotovoltaicos pode produzir uma tensão superior a 1000 volts em corrente contínua, nesse caso, o acesso deve ser restrito apenas a pessoas competentes, habilitadas ou instruídas;

b)     Devido à presença potencial de alta tensão em corrente contínua em sistemas fotovoltaicos de string, um risco de arco resulta em uma descarga alta de energia que pode levar a um incêndio;

c)     Risco de choque elétrico devido ao contato direto e/ou indireto com partes energizadas.

d)     Falta de conhecimento para trabalhar com circuitos de corrente contínua em sistemas fotovoltaicos; e

e)     Risco de queda e ferimentos devido ao trabalho em altura e movimentação manual durante a instalação de sistemas fotovoltaicos.

Além disso, como já mencionado, temos particularidades que podem gerar problemas inexistentes em instalações elétricas convencionais. Por exemplo, a fonte possui potência limitada, o que dificulta a identificação de falhas na instalação por métodos convencionalmente empregados em instalações elétricas de corrente alternada. Além disso, os circuitos em corrente contínua permanecem energizados quando possuem incidência de radiação solar, mesmo quando o sistema fotovoltaico está desconectado da rede elétrica e mesmo que o inversor fotovoltaico seja desligado;

Estas características aumentam significativamente os riscos de choques elétricos, que tendem a ser muito mais severos pelas elevadas tensões e riscos de incêndio provocados pelas altas temperaturas geradas por arcos elétricos.

Quais são as soluções de segurança?

As soluções para mitigar os riscos de choque elétrico, arco elétrico e consequentemente incêndios, possuem elevadas maturidade, sendo inclusive normatizadas:

(i)           Sistema de monitoramento de isolação dos circuitos c.c. [11] e interrupção automática;

(ii)          Sistema de monitoramento da corrente de fuga das instalações fotovoltaicas [11] e interrupção automática;

(iii)        Sistema de desligamento rápido do arranjo fotovoltaico [12];

(iv)        Dispositivos de proteção fusíveis de proteção nos arranjos fotovoltaicos [9], e;

(v)         Sistema de detecção e interrupção de arco elétrico c.c., conhecido por AFCI (do inglês: Arc-Fault Circuit Interrupter) [13, 14, 15].

Os arcos em série são detectados por dispositivos que medem as correntes do circuito e procuram um espectro de alta frequência com uma assinatura que é característica da ionização e descarga de plasma no arco. Se o arco em série for detectado, ele pode ser extinto simplesmente desligando o inversor e interrompendo o fluxo de corrente [7]. A Figura 3 mostra a diferença entre o espectro de um sistema com um arco elétrico detectado e um sistema sem a presença de um arco elétrico.

Figura 3 – Espectro de um sistema com arco vs. sistema sem arco elétrico. Fonte: Huawei Technologies Co., Ltd.

Embora os requisitos de segurança elétrica e contra incêndio sejam requisitos do sistema fotovoltaico como um todo, as normas consideram a obrigatoriedade de sua inserção em conjunto com o equipamento. Com base neste preceito, o melhor local do ponto de vista técnico econômico dos itens (i), (ii) e (v) anteriormente listados são no inversor fotovoltaico.

Ter as strings indo direto para o inversor coloca a proteção contra arco c.c. no inversor, o que é mais conveniente do que ter eletrônicos detectando arcos c.c. nas nas stringbox. Além disso, o monitoramento e a proteção contra arco c.c. são mais fáceis. Se houver uma falta à terra ou arco elétrico, o inversor deve isolar ambos os circuitos um do outro e do aterramento [16].

Por este motivo, os mercados mais avançados exigem que todos os inversores atendam a norma IEC 62109-2 (itens (i) e (ii)), bem como crescentemente passam a exigir soluções para o item (v). Também as normas de instalação locais estão exigindo a adequação para o item (iv). Muitos códigos elétricos nacionais agora exigem detecção de falha de arco para sistemas fotovoltaicos [1, 17]. Segue abaixo uma lista de alguns países e requisitos solicitados:

·        EUA: NEC 2014, NEC 2017, NEC 2020 (Rapid Shutdown, Arco elétrico);

·        Canada: NEC 2017 (Rapid Shutdown, Arco elétrico);

·        México: NOM-001-SEDE-2012 (Rapid Shutdown)

·        Alemanha: VDE-AR-E 2100-712 (Segurança contra incêndios)

·        Itália: N.1324-2012 (Segurança contra incêndios)

·        Turquia: Requisito residencial

·        Shanghai - Padrão Técnico para instalação fotovoltaica em telhado DG/TJ08-2004B-2020

·        Taiwan: NEC 2020 (processo de desligamento / Rapid Shutdown)

·        Filipinas: PEC 690.2 (Rapid Shutdown)

·        Austrália: Nova AS5033 (processo de lançamento)

Como exemplo, o NEC 2017 afirma que “sistemas fotovoltaicos operando em tensão de 80 Volts c.c. ou maior entre dois condutores deverá ser protegido por interruptor de falhas de arco elétrico indicado ou outro componente com proteção equivalente. O sistema deverá detectar e interromper arcos elétricos nos condutores, conectores, módulos, ou outros componentes no circuito c.c. do sistema FV”.

Por sua vez, a UL1699B estipulou condições concretas de teste e metodologias na detecção e interrupção de arcos elétricos. É imposto que dispositivos AFCI em sistemas FV precisam detectar um arco e interrompê-lo em no máximo 2,5 segundos.

A própria NBR 16690 afirma que “é desejável, portanto, ter um método rápido de detecção e interrupção de arcos elétricos em sistemas fotovoltaicos”. Contudo, não apresenta nenhum requisito que efetivamente protege o sistema fotovoltaico, pessoas e patrimônio em casos que ocorra um arco elétrico. Neste aspecto, apenas dois trechos da NBR 16690 apresentam prescrições relacionadas ao arco elétrico, ambas preventivas, como segue:

1.     Todas as conexões devem ser verificadas quanto ao torque mínimo e à polaridade durante a instalação para reduzir o risco de faltas e possíveis arcos durante o comissionamento, operação e manutenção futura;

2.     Sempre que possível, deve haver separação entre os condutores positivos e negativos dentro das caixas de junção, de maneira a minimizar os riscos de arcos em corrente contínua que possam ocorrer entre estes condutores.

Além disso, a solução efetiva do problema fica totalmente sob a responsabilidade do projetista/instalador, visto que a NBR 5410 [18] prescreve que “a instalação elétrica deve ser concebida e construída de maneira a excluir qualquer risco de incêndio de materiais inflamáveis, devido a temperaturas elevadas ou arcos elétricos”.

Muitos inversores mais novos são equipados com detecção de arco c.c. Se houver um arco, o inversor deve desligar [6]. A detecção e interrupção de falta à terra (GFDI) e o circuito de interrupção de arco elétrico (AFCI) são frequentemente incorporados ao circuito de entrada c.c. de inversores diretamente conectados à rede [19].

O AFCI deve desarmar em qualquer situação. O AFCI fornece proteção adicional além da proteção fornecida por um GFDI. Enquanto os dispositivos GFDI detectam uma diferença na corrente entre os condutores positivo e negativo de aproximadamente 0,5 A para sistemas pequenos, uma diferença na corrente de alimentação e retorno não é necessária para ativar um dispositivo AFCI. O dispositivo AFCI detecta eletronicamente a assinatura eletrônica de um arco e responde abrindo o circuito e fornecendo uma indicação visual de que o dispositivo detectou uma falha [19].

Portanto, é possível comprar inversores que incorporam componentes adicionais de modo que os mesmos estejam em conformidade com o código NEC, com proteção de falta à terra, proteção contra arco elétrico, com desconexão das entradas e saídas, fusíveis para múltiplas entradas de string e carcaça à prova de intempéries [19].

Histórico em mercados mais maduros

O EUA foi pioneiro em eletrificação de cidades. Podemos citar como exemplo que Nova York foi a primeira cidade do mundo a ter iluminação pública, em 1882. Portanto, nada mais natural que este país seja pioneiro em vários assuntos relacionados a eletricidade. Dito isto, no que diz respeito à circuitos de detecção e interrupção de arcos elétricos, os pedidos de patentes relacionados à proteção contra arco elétrico datam dos anos 1930 e hoje é considerada uma tecnologia madura [20].

A aplicação do AFCI não é uma medida restritiva, muito menos voltada especificamente para a proteção do corpo de bombeiros. A Electrical Safety Foundation International (ESFI) afirmou que se trata de uma tecnologia que poderia salvar “centenas de vidas, reduzindo milhares de feridos e quase US $ 1 bilhão de dólares em danos materiais anualmente” [21]. Estamos falando de vidas e patrimônio. A necessidade é clara e a tecnologia é comprovada.

O NEC introduziu os requisitos de AFCI em 1999, desde então, o assunto vem sendo aprimorado continuamente em todas as suas revisões. Este aprimoramento é o caminho natural, o qual permite que as normas acompanhem a evolução tecnológica e da sociedade. O mesmo processo pode ser observado nas normatizações e regulamentações em qualquer outro país.

Existem vários estudos realizados por órgãos de extrema confiabilidade abordando a problemática de incêndios em locais com presença de sistemas fotovoltaicos. Para esclarecer estes pontos, apresentamos bibliografia evidenciando o que ocorreu em mercados mais maduros, como segue:

1.     1. Reino Unido

O BRE National Solar Centre do Reino Unido, através de investigações e evidências, publicou um estudo de casos de incêndios envolvendo sistemas FV, apresentando uma revisão de incidentes históricos, literatura relevante, padrões e treinamento [22].

Figura 4 – Resumo da severidade de incêndios e envolvimento dos sistemas fotovoltaicos. Fonte: BRE National Solar Centre [22].

Em resumo, a Figura 4 evidencia que, em todos os casos de incêndios investigados, independentemente da severidade, a maioria dos incêndios foi causada pelo sistema fotovoltaico.

O BRE apontou na Figura 5 que, dentre os casos em que os componentes do sistema fotovoltaico foram registrados como a causa mais provável dos incêndios investigados, os isoladores CC ficaram em primeiro lugar.

Figura 5 – Número de vezes que os componentes FV foram registrados como a causa provável do incêndio. Fonte: BRE National Solar Centre [22].

No entanto, convém lembrar que os isoladores CC por si só não geram um arco elétrico e, sim, os níveis de tensão CC aos quais estes componentes estão submetidos. Desta forma, mesmo que em 18 casos os isoladores CC tenham sido apontados como a causa provável do incêndio, o estudo fez questão de registrar algumas evidências encontradas que resultaram na seguinte afirmação: “interpretando os dados, parece haver três problemas separados com os isoladores CC”:

1.      Produtos mal projetados ou construídos – 1 caso;

2.      Prática de instalação ruim – 2 casos;

3.      Especificação incorreta dos isoladores CC – 9 casos;

Como dito anteriormente, os isoladores por si só não geram o arco elétrico, sendo que em alguns casos foi detectado o ingresso de água dentro dos isoladores. Partindo da mesma premissa, também é incorreto afirmar que os conectores em si sejam causadores de incêndio, mas sim os níveis de tensão CC que sustentam o arco elétrico.

(Continua no próximo artigo) ...