As falhas à terra estão entre as falhas elétricas mais perigosas em sistemas fotovoltaicos. Um conjunto fotovoltaico energizado pela luz solar comporta-se como uma fonte de corrente – ao contrário de um circuito elétrico convencional, a abertura de um disjuntor não desenergiza o lado CC. Quando ocorre uma falta à terra, a corrente de falta pode fluir continuamente, provocando incêndios que destruíram telhados, edifícios e conjuntos de serviços públicos. O projeto e teste corretos de equipamentos de interrupção de detecção de falta à terra (GFDI) e interrupção de circuito de falha de arco (AFCI) não são opcionais.
O que é uma falta à terra fotovoltaica?
Uma falta à terra em um sistema fotovoltaico ocorre quando um condutor que transporta corrente (normalmente um condutor de cadeia CC) entra em contato com o invólucro, conduíte ou estrutura metálica aterrada – criando um caminho de corrente não intencional para a terra. As faltas à terra ocorrem devido a:
- Isolamento de cabo danificado (degradação UV, danos causados por roedores, abrasão mecânica em conduíte)
- Entrada de água em caixas de junção ou conduítes
- Terminações soltas ou feitas incorretamente que permitem o contato entre o condutor e o invólucro
- Danos físicos aos módulos – folhas traseiras rachadas expondo os condutores
Uma falta à terra no condutor negativo de um sistema fotovoltaico negativo aterrado (o projeto tradicional) cria um segundo terreno - conhecida como "falha aparafusada". A característica perigosa das faltas à terra fotovoltaicas é que a magnitude da corrente de falta depende do número de strings em paralelo: um conjunto grande pode sustentar mais de 100 amperes de corrente de falta indefinidamente, desde que a luz solar esteja presente.
NEC 690.5: Requisitos de proteção contra falta à terra
O Artigo 690.5 do Código Elétrico Nacional (EUA) exige proteção contra falha de aterramento para sistemas fotovoltaicos instalados em edifícios ou próximos a eles. Os requisitos diferem por tipo de sistema:
| Tipo de sistema | Requisito NEC 690.5 |
|---|---|
| Sistemas fotovoltaicos aterrados em edifícios | Dispositivo GFDI necessário; deve detectar corrente de falha ≥1 A |
| Sistemas fotovoltaicos não aterrados (flutuantes) | Detecção de falta à terra E isolamento necessário (ambos os pólos) |
| Fotovoltaica montada no solo (não em prédio) | GFDI exigido se os condutores forem acessíveis a pessoas não qualificadas |
| Fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV) | GFDI necessário; aplicam-se requisitos adicionais de isolamento contra incêndio |
O dispositivo GFDI monitora o desequilíbrio de corrente entre os condutores condutores de corrente e o condutor de aterramento do equipamento. Quando uma falta à terra é detectada, o dispositivo deve: (1) indicar a condição de falta; e (2) desativar o conjunto (abrir o circuito em falha ou reduzir a tensão abaixo do limite que sustentaria o arco).
O paradoxo do "desarme incômodo" e do risco de incêndio
Os primeiros sistemas fotovoltaicos (pré-2010) usavam fusíveis GFDI classificados em 1 A. Uma análise de 2012 do Sandia National Laboratories encontrou um modo de falha perturbador: sob certas condições de falha à terra em grandes conjuntos, o fusível GFDI poderia queimar sem interromper a corrente de falha - e o sinal do fusível queimado foi interpretado como "nenhuma falha detectada", deixando o sistema operando com uma falha ativa com risco de incêndio. Isso levou às revisões da NEC de 2014, exigindo que os dispositivos GFDI não apenas detectassem, mas também interrompessem positivamente a falha.
Inversores string modernos e inversores centrais integram detecção GFDI dentro do inversor; o inversor desliga na detecção de falha. Isto é mais confiável do que os fusíveis GFDI externos para sistemas residenciais e comerciais de pequeno porte. Para sistemas de grande porte com múltiplas caixas combinadoras, o monitoramento adicional de falta à terra no nível do combinador proporciona uma localização de falta mais rápida.
NEC 690.11: Requisitos do interruptor de circuito de falha de arco
Falhas de arco – arco não intencional entre condutores ou entre um condutor e o solo – geram temperaturas superiores a 5.000°C e são a principal causa de incêndios em sistemas fotovoltaicos. NEC 690.11 exige proteção AFCI para sistemas fotovoltaicos com fonte CC ou condutores de circuito de saída operando a 80 V ou mais e dentro ou em edifícios:
- O dispositivo AFCI deve detectar arco tão baixo quanto 500 mA
- Deve interromper dentro de 30 ciclos após o início do arco
- Deve ser listado em UL 1699B (padrão PV AFCI)
- Muitos inversores string modernos (série Sungrow SG, SMA Sunny Boy) integram AFCI como padrão; dispositivos AFCI autônomos também estão disponíveis para retrofits
Testando proteção contra falha à terra
A proteção contra falta à terra deve ser testada no comissionamento e periodicamente durante a O&M:
- Teste de comissionamento: com sistema com baixa irradiância (ou utilizando dispositivo de sombreamento), introduzir uma falta conhecida de baixa resistência utilizando um resistor de teste entre um condutor de string e o condutor de aterramento do equipamento; verifique o dispositivo GFDI desarma e indica falha
- Teste funcional anual: acionar a função de teste GFDI (integrada em inversores modernos) e verificar alarme e desligamento
- Teste de resistência de isolamento (IR): teste Megger anual (500 V CC, mínimo de 1 MΩ entre condutores e terra) para detectar degradação do isolamento antes que cause uma falta à terra
- Imagem térmica: varredura IR anual de caixas combinadoras, inversores e caixas de junção — pontos quentes indicam conexões de alta resistência que podem evoluir para arcos