Escrito por, Youssef Barreiros
RESUMO
A introdução do conceito de AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter) na indústria fotovoltaica brasileira em 2020, através do canal Solar, representa um marco significativo em termos de segurança elétrica. O AFCI foi projetado especificamente para detectar e interromper arcos elétricos do tipo série, frequentemente causados por falhas de conexão ou rompimentos de fios em sistemas fotovoltaicos. Estes arcos representam um sério risco de incêndio, especialmente em instalações de corrente contínua, como nos cabos das strings ligadas à entrada do inversor, dentro da caixa de junção (stringbox) e nas conexões entre os painéis solares no telhado. Este artigo visa analisar as diferenças e vantagens entre abordagens de proteção de hardware e software para dispositivos AFCI, utilizando como estudo de caso o inversor Nansen Solar ASN-10SL. A escolha entre um sistema baseado exclusivamente em hardware, software ou uma combinação de ambos é crucial para garantir a eficácia da proteção. A evolução dos serviços, a segurança de acesso, a manutenção do código e a integração contínua das bases de informação são elementos fundamentais que não apenas asseguram a segurança, mas também promovem a durabilidade do sistema para compradores e distribuidores deste componente essencial na indústria da energia solar.
Palavras chaves: Proteção AFCI. Inversores fotovoltaicos. Sistema de segurança. Software e Hardware.
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, pesquisas realizadas apontaram que a capacidade de instalação de sistemas fotovoltaicos atingiu mundialmente cerca de 240GW só em 2022, com uma capacidade total de 1,2 TW ao nível mundial. Por ser um dos dispositivos mais importantes dos sistemas fotovoltaicos, os inversores estão em constante evolução à medida que o mercado continua a amadurecer e se expande.
Um avanço significativo nessa evolução é a integração de dispositivos AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter). Esses dispositivos desempenham um papel crucial na segurança e eficiência da geração de energia fotovoltaica, detectando e interrompendo arcos elétricos em corrente contínua durante a operação dos sistemas. A escolha entre proteções baseadas em hardware ou software para AFCI é uma consideração importante, especialmente nos inversores solares como os da Nansen Solar, que implementam ambas as abordagens.
Vale salientar que, no domínio da segurança contra incêndios em sistemas fotovoltaicos, os Estados Unidos assumiram a liderança na investigação e desenvolvimento. O Underwriters Laboratories (UL) desempenhou um papel fundamental ao introduzir o padrão UL Outline em 2011, que desde então passou por diversas atualizações. A edição de 2017 do Código Elétrico Nacional (NEC) teve um marco significativo ao introduzir pela primeira vez os requisitos AFCI.
A iteração mais recente, UL 1699B-2018, define testes e critérios de desempenho para dispositivos AFCI em sistemas fotovoltaicos. Segundo o NEC, esses dispositivos devem ser instalados em circuitos CC, sendo que muitos inversores fotovoltaicos já os incorporam, seja em formato de software, hardware ou ambos. Lembrando que o dispositivo em questão não é externo ao sistema, mas sim uma funcionalidade já integrada ao inversor solar.
Logo, tornou-se extremamente relevante, atualmente, a pesquisa voltada para o desenvolvimento de uma metodologia eficiente de teste de falha de arco em corrente contínua para avaliar e aprimorar inversores solares, visando aumentar a confiabilidade e segurança dos sistemas fotovoltaicos.
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2. DESENVOLVIMENTO
2.1 O que é a função AFCI
A abreviatura AFCI deriva da expressão em inglês “arc fault circuit interrupter”, que em tradução livre significa “interruptor de circuito para falhas de arco elétrico”. Esses dispositivos podem ser integrados como componentes nas instalações elétricas ou incorporados em inversores e outros equipamentos similares.
Anteriormente ao AFCI, os sensores internos de corrente e tensão nos inversores não conseguiam detectar os sinais de alta frequência comuns em um arco em série. Assim, o sistema AFCI nos inversores é projetado para identificar arcos série na string-box ou no cabeamento de corrente contínua.
Desde 1999, os dispositivos AFCI tornaram-se mandatórios conforme o NEC (National Electrical Code) dos Estados Unidos, e ao longo dos anos sua abrangência foi ampliada.
Segundo o NEC 2020, o AFCI passou a ser obrigatório em praticamente todos os espaços de uma residência. Os dispositivos estão ganhando espaço no mercado brasileiro e já são solicitados por normas técnicas. A partir da Portaria do INMETRO n°515/2023, será obrigatório que todos os inversores tenham essa solução implementada internamente a partir de dezembro/2024, como nos inversores da Nansen Solar que já possuem em todos os modelos a função integrada.
2.1.1 A importância de hardware e software para inversores AFCI.
A proteção AFCI por meio de software é composta por componentes lógicos, como programas, rotinas e instruções que controlam suas operações. Esse suporte lógico, conhecido como AFCI via software, é responsável por desligar circuitos elétricos afetados.
Os componentes de software dos dispositivos AFCI são essenciais para a detecção e interrupção de arcos elétricos. Algoritmos de detecção de arcos analisam a forma de onda da corrente elétrica para identificar padrões característicos de arcos perigosos e utilizam técnicas de filtragem para diferenciar entre arcos elétricos e ruídos normais. A lógica de controle e tomada de decisão processa os resultados dos algoritmos para determinar se o circuito deve ser interrompido, baseando-se em critérios de disparo que indicam a ameaça representada pelo arco.
Além disso, interfaces de comunicação permitem a integração dos AFCIs com sistemas de automação residencial ou industrial, e a notificação de eventos configura alertas ou notificações quando um arco elétrico é detectado, permitindo uma resposta rápida dos usuários ou profissionais de manutenção.
Em resumo, o software utiliza análise de dados, tecnologias de Inteligência Artificial e aprendizado avançado para identificar e eliminar arcos elétricos. O objetivo é monitorar os padrões de ondas CC do inversor, comparar com os valores esperados e identificar anomalias neles.
FIGURA 01 – Diagrama Interno do Inversor com Proteção AFCI – ASN-10SL
Nota: É importante ressaltar que um inversor que depende apenas do software pode retardar a detecção de falhas ou até mesmo não perceber quando uma imperfeição está ocorrendo.
FIGURA 02- TCs do Inversor ASN-10SL
Os dispositivos AFCI utilizam vários componentes de hardware para monitorar e interromper correntes elétricas perigosas. Sensores de corrente, como transformadores de corrente (TCs) e sensores de efeito Hall, são empregados para detectar variações anormais na corrente elétrica que podem indicar a presença de arcos elétricos.
A detecção via hardware ocorre por meio dos TCs, que são sensores físicos ligados aos terminais de entrada CC do inversor, visando detectar instantaneamente anomalias e interferências na forma da corrente contínua. Esses sensores de corrente são componentes físicos essenciais nos sistemas elétricos atuais, garantindo a segurança contra altas nos parâmetros do circuito de entrada e atuando de maneira imediata para proteção do sistema, sem aguardar análise de dados.
Esses sinais são processados por microcontroladores ou DSPs (Processadores Digitais de Sinais), que executam algoritmos complexos em tempo real. Alguns AFCIs também utilizam ASICs (Circuitos Integrados Específicos de Aplicação), projetados para otimizar a detecção de arcos elétricos. Relés de estado sólido são implementados para abrir rapidamente o circuito quando um arco perigoso é detectado, prevenindo incêndios.
Um ponto positivo do hardware é que enquanto o software precisa de segundos para analisar os sinais de corrente e tensão e muitas vezes não estão aptos a detectar a menor falha que seja, o hardware detecta em menos de 1 segundo qualquer anomalia e interrompe o circuito.
É essencial contar com a proteção de hardware e software, pois ocorre um trabalho mútuo dos dois dispositivos, onde o hardware atua de maneira imediata e o software aprende novos padrões de detecção.
2.1.2 Sistema de proteção
Para identificar esses arcos, é preciso que o inversor inclua um dispositivo de proteção AFCI adicional, capaz de analisar as componentes de alta frequência da corrente e da tensão no sistema e interromper o circuito quando esses valores ultrapassam os limites estabelecidos.
A segurança é um aspecto fundamental na utilização de equipamentos, sendo que o INMETRO determinou que inversores com mais de 120V e 20A de corrente de entrada estão obrigados a possuir dispositivos que evitem interrupções por arco elétrico. Esses componentes precisam ser parte integrante do sistema.
FIGURA 03 – AFCI Placa de Controle / ASN-10SL Internamente
A presença de componentes de alta frequência, quando adicionado, fica evidente devido aos comportamentos instáveis das variáveis de tensão e corrente, permitindo a detecção pelo sistema AFCI. Quando um arco série é detectado, o sistema envia um alerta para a CPU do inversor e interrompe seu funcionamento, cessando imediatamente o fluxo de corrente e extinguindo o arco elétrico.
FIGURA 06 – Comportamento da Tensão e Corrente.
O arco em série é frequentemente observado no lado de corrente contínua de sistemas fotovoltaicos, sendo o mais comum. A inclusão de dispositivos AFCI nos inversores representa uma medida extremamente positiva e recomendável, contribuindo significativamente para a segurança das instalações e a prevenção de incêndios em sistemas fotovoltaicos.
FIGURA 07 – Espectrograma do Arco Elétrico.
Para detectar arcos elétricos em série no lado CC, o inversor realiza uma análise de espectro. A primeira imagem ilustra a frequência de comutação do inversor em um sistema fotovoltaico sem a presença de arco elétrico.
Já nas duas últimas imagens, é possível observar um sistema impactado por um arco elétrico, cujo ruído aumenta progressivamente e a frequência de comutação se perde aos ruídos. A extensão dos cabos fotovoltaicos, que conectam os módulos à entrada do inversor, varia conforme o projeto, assim como a corrente máxima que flui nesse trecho, dependendo do modelo dos módulos. Dessa forma, podemos afirmar que existem diferentes cenários conforme o comprimento dos cabos e a corrente máxima.
O fenômeno do arco elétrico envolve alta temperatura, resultando na ionização do ar circundante. Esse processo afeta a resistência entre os condutores, levando à fusão deles e de seu isolamento. No contexto elétrico, a presença do arco em um circuito provoca variações na resistência e no espaço entre os condutores. Além da ionização, ocorre a formação de uma disparidade de potencial entre os condutores, gerando um efeito similar ao de um capacitor. Esta interação com a indutância da linha resulta na criação de um circuito oscilador RLC.
Assim, ocorre a produção de faíscas e centelhas, podendo resultar em incêndio e chamas.
2.2 Distinguindo o AFCI da NANSEN SOLAR
A NANSEN SOLAR é uma fabricante de inversores que oferece soluções qualificadas e seguras para a geração e armazenamento de energia, apresentando em seu portfólio diversos modelos de Inversores On-Grid monofásicos e trifásicos, 220V ou 380V. Além disso, ela possui inversores híbridos e sistema de bateria para armazenamento.
FIGURA 05 – Inversor ASN-10SL
Os inversores fotovoltaicos de última geração, em termos de proteção AFCI possuem ambas as proteções, hardware e software para detectar e eliminar arcos. Os softwares utilizam uma solução baseada em IA e aprendizado profundo (Deep Learning). Isto facilita o reconhecimento de arcos elétricos com maior exatidão à medida que o modelo continua a aprender espectros desconhecidos. No decorrer do tempo, o inversor distingue padrões de arcos e passa a reconhecer os mais complexos tipos.
Além disso, vale ressaltar que por possuir TCs nas entradas de corrente contínua o equipamento, percebe de maneira quase instantânea a presença de um arco, garantido que qualquer falha seja tratada de maneira imediata e não passe despercebida.
TABELA 1 – Resultados da Proteção AFCI – Nansen Solar
Parâmetros | Resultados |
Tempo de Detecção do Problema | Menor que 0,5s |
Exatidão na Detecção | 99% |
Distância de Detecção (Diâmetro) | 300m |
Requisitos Padrão | UL1699B-2018 |
FONTE: NANSEN SOLAR, 2024.
Antes de instalar e utilizar um inversor, é essencial prestar atenção às informações de segurança juntamente com suas capacidades e atributos.
3. CONCLUSÃO
Há algum tempo, a UNDENWRITERS LOBORATORIES desenvolveu uma nova norma, a UL 1699B, voltada para a proteção de circuitos de arco elétrico em sistemas fotovoltaicos (PV) DC. Os fabricantes estão atualmente trabalhando no desenvolvimento de dispositivos para estar em conformidade com essa norma.
A função principal de um dispositivo de proteção contra arco elétrico é identificar e extinguir com precisão os arcos presentes nos arranjos fotovoltaicos, agindo para interrompê-los de maneira adequada.
Reforçar que ter as seguranças AFCI de hardware e software complementam o circuito e deixam eles mais seguro. E inversores que possuem os dois estão mais propensos a entregar maior qualidade.
FIGURA 06 – Portfólio Nansen Solar
Os inversores da Nansen Solar não apenas incorporam as proteções AFCI de forma integrada, mas também são projetados para maximizar a eficiência operacional e a durabilidade dos sistemas fotovoltaicos. Além das funcionalidades de segurança avançadas, esses dispositivos são desenvolvidos com tecnologia de ponta que otimiza a conversão de energia solar em eletricidade utilizável, contribuindo para um melhor desempenho dos sistemas.
A abordagem da Nansen Solar não se limita apenas à implementação de tecnologias de proteção. A empresa também investe continuamente em pesquisa e desenvolvimento para acompanhar as tendências e inovações no setor de energia renovável. Isso não apenas assegura que seus inversores estejam alinhados com as mais recentes normas e regulamentações de segurança, mas também posiciona a Nansen Solar como uma líder em soluções confiáveis e eficientes para instalações fotovoltaicas ao redor do mundo.
4. REFERÊNCIAS
CATALAN, Luiz. Vai uma Ajudinha: O risco de incêndio intrínseco às instalações elétricas e o arco elétrico. Schneider Electric, 2021. Disponível em: https://blog.se.com/br/sem-categoria/2021/11/16/vai-uma-ajudinha-o-risco-de-ince
ndio-intrinseco-as-instalacoes-eletricas-e-o-arco-eletrico/. Acesso em: 20 jun. 2024
FAROL, Energia do Brasil. Nova geração de inversores com AFCI da GoodWe. Disponível em: https://faroldobrasil.com.br/2023/12/28/nova-geracao-de-inversores
-com-afci-da-goodwe/>. Acesso em: 17 jun. 2024.
GOODWE, Smart Fast and Realiable - Next-Generation Arc Fault Circuit Interrupter. - White Paper, 2023. Disponível em: <https://www.fiberx.com.br/post/te
cnologia-afci-de-inversores-fotovoltaicos-para-prevencao-de-incendioos?medium=
null&source=null>. Acesso em: 20 jun. 2024.
M. H. Riza Alvy Syafi’i, E. Prasetyono, M. K. Khafidli, D. O. Anggriawan and A. Tjahjono, “Real Time Series DC Arc Fault Detection Based on Fast Fourier Transform” 2018 International Electronics Symposium on Engineering Technology and Applications (IES-ETA), Bali, 2018, pp. 25-30, doi: 10.1109/ELECSYM.2018.8615525.
SOPRONO, Segurança e Proteção. Saiba mais sobre a proteção sobre AFCI contra arcos elétricos dos inversores Solis. 2023. Disponível em:< https://www.soprano.com.m.br/blog/saiba-mais-sobre-a-protecao-afci-contra-arcos-eletricos-dos-inversores-solis>. Acesso em: 17 jun. 2024
VENTURINI, Mateus. Proteção contra arco elétrico nos inversores fotovoltaicos. 2020. Disponível em: < https://canalsolar.com.br/protecao-contra-arco-eletrico-nos-inversores-fotovoltaicos/>. Acesso em: 17 jun. 2024
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