Dimensionamento do Disjuntor em Sistemas Fotovoltaicos: Garantindo Segurança e Eficiência Energética
Com a adoção cada vez mais comum de painéis solares nas residências, comércios e indústrias faz-se necessário associar a eles dispositivos que garantam a proteção material e das pessoas que com eles interagem, um dos dispositivos que estamos falando são os disjuntores, os quais desempenham um papel crucial na segurança e na eficiência desses sistemas, especialmente no segmento de corrente alternada (AC), onde a energia gerada pelos paineis solares é convertida para alimentar os eletrodomésticos.
A figura a seguir mostra em qual etapa ou segmento de produção de energia fotovoltaico um disjuntor é instalado.
Quando se trata de sistemas fotovoltaicos, a conversão da corrente contínua (CC) gerada pelos painéis solares para corrente alternada (AC) é realizada pelos inversores de onda. Conforme visto na Figura 2, o disjuntor localiza-se após o referido inversor, ou seja, no segmento AC do sistema fotovoltaico. Para garantir a proteção dos cabos e equipamentos nesta etapa do sistema é essencial dimensionar corretamente o disjuntor no segmento AC do sistema.
Qual a importância do dimensionamento adequado dos disjuntor AC?
O dimensionamento adequado do disjuntor não pode ser negligenciado, pois desempenha um papel crucial na proteção contra sobrecorrente e curto-circuito. Um disjuntor mal dimensionado pode resultar em danos aos cabos e equipamentos, além de representar riscos de segurança.
De acordo com a norma NBR 5410, é essencial garantir a coordenação entre os condutores e os dispositivos de proteção. Isso é alcançado através de equações que determinam os limites mínimos e máximos de corrente nominal de operação de um disjuntor, levando em consideração a corrente de projeto, a capacidade de condução dos condutores.
A Figura 3 representa de forma simplificada a comparação dos níveis de corrente do disjuntor, do condutor e da saída do inversor de onda no trecho AC do sistema fotovoltaico.
Conforme vimos na figura 3, existem três valores de corrente AC que interagem entre si durante o funcionamento de um sistema são elas:
IZ: Capacidade de corrente do condutor; (vermelho)
IN: Corrente nominal do disjuntor; (verde)
IB: Corrente de saída do inversor. (azul)
Conforme apresentado pela Figura 4, a corrente nominal do disjuntor AC deverá ser superior à corrente fornecida pela sua fonte, que no caso de sistemas fotovoltaicos, trata-se da corrente convertida pelo inversor de onda.
Outro fator importante a ser considerado é que a corrente nominal do disjuntor deverá ser inferior à capacidade de condução do condutor a ele conectado.
Em resumo, fica claro que, para selecionar um disjuntor AC para sistemas fotovoltaicos, sua corrente nominal deverá ser sempre um valor intermediário, entre a corrente de saída do inversor de corrente e o valor absoluto de capacidade de condução da fiação (Figura 4).
Qual o efeito de se dimensionar um disjuntor acima da capacidade da fiação em sistemas de energia solar?
Vamos avaliar agora o comportamento do nosso sistema caso o disjuntor AC de uma usina de produção de energia solar fosse dimensionado acima do especificado para o condutor a ele conectado.
Conforme visto na Figura 5, o disjuntor AC escolhido para o projeto apresenta uma corrente nominal superior à corrente de condução nominal da fiação a ele conectado. Isso certamente causará efeitos negativos para o sistema.
Um dos efeitos é que caso, por algum motivo, a corrente na saída do inversor se eleve para um valor acima do admitido pelo condutor, o disjuntor não acionará, levando a consequências danosas ao sistema.
O segundo efeito negativo é que o sistema fotovoltaico no seu trecho AC operará com corrente acima do admitido pelo condutor, levando ao aquecimento deste e consequentemente a perda de eficiência energética, ou seja, a energia produzida pelos painéis para fazer funcionar um eletrodoméstico ou equipamento qualquer não poderá ser usada pois se transformou em calor ao longo da fiação.
O terceiro dano ocasionado é o comprometimento da vida útil da isolação do condutor, visto que a mesma, por efeito do calor elevado, se tornará mais frágil, podendo mesmo até derreter devido ao dimensionamento inadequado do disjuntor.
Todas essas consequências podem levar a danos ainda piores, por exemplo, curto circuito entre os condutores e mesmo a perda de equipamentos.
Outro erro comum ao se dimensionar um disjuntor é quando este apresenta valor nominal de corrente abaixo da corrente fornecida pelo inversor de onda, Figura 6.
A Figura 6 mostra de maneira simplificada que a corrente do inversor (em azul) apresenta valor acima do valor nominal do disjuntor levando ao seu desarme inadequado/inesperado, Imagine que você montou todo o sistema, ligou tudo certo e inesperadamente a energia para seus eletrodomésticos sessa. Ao avaliar as possíveis causas, percebe que o disjuntor AC está desarmado, isso se dá pelo seu subdimensionamento.
Logo saber como dimensionar um disjuntor AC corretamente é extremamente importante para evitar o desarme inesperado ou mesmo o seu não acionamento em condições de sobrecarga.
Como dimensionar corretamente o disjuntor AC para o sistema fotovoltaico?
Para ilustrar o procedimento de dimensionamento, consideremos um exemplo prático. Suponhamos que temos um inversor com uma potência de saída de 6000W, tensão de 220V e uma corrente nominal de 27,3A. Para uma instalação com cabos isolados embutidos em alvenaria (classe de isolamento B1).
Conforme a NBR 5410 no item 5.2.4.1 que orienta sobre “Coordenação entre condutores e dispositivos de proteção”.
IB<=IN<=IZ (eq. 01)
I2<=1,45.Iz (eq. 02)
Onde:
IB:Corrente de projeto
IZ: Capacidade de condução de corrente dos condutores
IN: Corrente Nominal do dispositivo de proteção
I2: Corrente convencional de atuação para disjuntores
Ao aplicar as equações de dimensionamento eq.01, encontramos que a corrente nominal do dispositivo de proteção (IN) deve ser superior a 27,3A (corrente do inversor, IB).
O cabo que, em termos matemáticos, atende este valor de corrente de 27,3 A seria o condutor de 4mm², o qual tem capacidade condutiva nominal de 32A. Não seria incorreto escolher esta seção de cabo, porém apresenta um valor um tanto próximo ao fornecido pelo inversor.
A fim de garantir o não aquecimento dos condutores, poderia ser utilizado ao invés de um condutor de 4mm², condutores de 6mm² que suportam corrente nominal de 41A.
Logo, obedecendo a equação 1, este exemplo ficará:
IB<=IN<=IZ (eq. 01)
27,3A<=32A<=41A (eq. 01)
Além disso, a Corrente Convencional de Atuação do Disjuntor (I2) deve ser inferior a 1,45 vezes a corrente de capacidade de condução do condutor, equação 2. Isso garante que o disjuntor atue dentro de limites seguros, protegendo efetivamente os cabos sem comprometer a integridade do sistema.
Conclusão
Em resumo, o dimensionamento adequado do disjuntor em sistemas fotovoltaicos é essencial para garantir a segurança e a eficiência energética. Seguindo as orientações da norma NBR 5410 e realizando os cálculos necessários, é possível selecionar um disjuntor adequado que proteja os cabos e equipamentos do sistema.
Ao garantir a coordenação entre os condutores e os dispositivos de proteção, podemos mitigar os riscos de danos elétricos e garantir um funcionamento seguro e confiável do sistema fotovoltaico. Portanto, ao projetar e instalar sistemas fotovoltaicos, o dimensionamento cuidadoso do disjuntor deve ser uma prioridade para todos os profissionais envolvidos.
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