Como evitar o uso incorreto de fusíveis CA em circuitos CC

O uso de um fusível incorreto em um circuito pode ter consequências potencialmente desastrosas para pessoas e equipamentos. Em um sistema solar composto por várias sequências de módulos fotovoltaicos (FV), as sequências são protegidas por fusíveis CC de corrente contínua instalados em um combinador ou em caixas de junção de matriz. Este artigo tenta dar uma olhada rápida na lógica por trás da seleção de fusíveis para um sistema FV CC.

Como escolher o fusível correto para CA e CC?

Em corrente alternada (CA), é bastante fácil para um fusível quebrar, pois a fonte CA inverte o fluxo de elétrons 100 vezes por segundo em circuitos de 50 Hz. Quando a corrente se inverte, sua magnitude cai para zero. Um fluxo de corrente zero é muito fácil de ser interrompido por um fusível; nesse ponto, o fluxo de corrente cessa e não há mais energia para sustentar o arco através do elemento fusível derretido.

Por outro lado, a corrente contínua pode ser muito difícil de ser rompida por um fusível. Nesse caso, a corrente flui em uma única direção. Não há um ponto zero para auxiliar o fusível na extinção do arco. Os fusíveis de corrente contínua são dispositivos relativamente sofisticados, com uma construção diferente dos fusíveis de corrente alternada simples. Os fusíveis de corrente contínua contêm elementos adicionais para extinguir o arco.

Para fusíveis CA e CC, as tensões nominais padrão são diferentes e não há uma relação matemática estrita entre elas. Um fusível com capacidade nominal de 1000 V CA pode ser classificado como 500 V CC ou 750 V CC, dependendo de sua construção. Como regra geral, um fusível CA padrão precisará ser reduzido em 50%, ou seja, 1000 V CA seria classificado como 500 V CC para ser seguro. No entanto, você deve consultar o fabricante do fusível para obter os resultados dos testes ou especificações adicionais de cada fusível antes de fazer qualquer suposição.

Fusíveis CA são geralmente projetados para suportar uma carga superior à sua corrente nominal, às vezes de 160% a 200% do seu valor nominal, por até dez segundos. Em um sistema fotovoltaico, a corrente é limitada pelo projeto de fonte de corrente constante dos módulos fotovoltaicos, portanto, obter corrente suficiente para romper um fusível CA em um período de tempo razoável pode ser bastante difícil.

Fusíveis com classificação CC, projetados especificamente para aplicações fotovoltaicas, são projetados para romper na corrente nominal em um curto espaço de tempo, proporcionando máxima proteção para cabeamento, caixas de junção e módulos fotovoltaicos. Se o fusível não indicar a classificação CC ou se ela não estiver mencionada na ficha de especificações do produto, pode ser que ele não seja aprovado para uso em aplicações CC. Ou pode ser que o produto não tenha sido aprovado por um órgão de aprovação elétrica reconhecido internacionalmente ou pelo fabricante, que pode ou não ter instalações de teste para realizar os testes do produto. Os porta-fusíveis também devem ser inspecionados quanto à classificação CC.

Para proteger você e seus clientes, utilize sempre o produto com classificação CC correta para suas instalações fotovoltaicas. Se utilizar um produto com classificação incorreta, você poderá ser responsabilizado por quaisquer danos causados ou pela perda de vidas, caso algo dê errado.

Qual a utilidade do fusível no sistema fotovoltaico?

Os fusíveis desempenham um papel muito importante em projetos de energia solar. Existem vários locais onde são utilizados em sistemas solares fotovoltaicos. Os locais podem incluir caixas combinadoras de strings, caixas de conjuntos e até mesmo o lado CC do sistema inversor.

Fusíveis também são usados no lado CA do sistema. Fusíveis CA são diferentes dosfusíveis CC . Mas neste artigo, consideraremos apenas o projeto de fusíveis CC.

No caso de um grande número de strings conectadas em paralelo, é necessário garantir a proteção dos painéis fotovoltaicos e do sistema contra corrente reversa e sobrecorrente (OC).

Os fusíveis são usados principalmente para proteger o sistema contra riscos de curto-circuito e incêndio. Os fusíveis em instalações fotovoltaicas são submetidos a condições ambientais extremas, como a exposição à luz solar, que causa temperaturas anormais no fusível, o que afeta seu desempenho. Portanto, o dimensionamento e a seleção dos fusíveis e cabos corretos devem ser garantidos.

Além disso, os módulos fotovoltaicos também produzem corrente contínua. Isso torna ainda mais importante o dimensionamento adequado dos fusíveis.

Um fusível é um dispositivo de sobrecorrente projetado para se sacrificar a fim de proteger sistemas elétricos. Os fusíveis são projetados para abrir circuitos quando submetidos a estresse por fluxo excessivo de corrente causado por sobrecargas ou falhas. A escolha do fusível certo para uma aplicação evitará incêndios e outros danos que podem ser causados por problemas. Problemas típicos podem incluir um cabo solto no circuito do inversor, um curto-circuito no cabo com o terra, corte acidental de um cabo, roedor ou animal mastigando o cabo, danos causados pelo clima, etc.

A Fig. 1 ilustra um sistema solar típico, desde módulos fotovoltaicos até inversores.

Como escolher corretamente um fusível com classificação apropriada?

Os fusíveis são classificados por corrente e tensão, e geralmente são classificados apenas para CA, apenas para CC ou para CA e CC. Se forem utilizados fusíveis incorretos para aplicações em CC, a tensão nominal pode precisar ser reduzida e você terá que consultar o fabricante do fusível para obter mais informações sobre o produto. Isso se deve à maior energia do arco que precisa ser absorvida durante o processo de interrupção.

Principais etapas do dimensionamento do fusível para seleção de fusíveis solares fotovoltaicos

As etapas a seguir devem ser usadas para o dimensionamento adequado de um fusível de uma string, conforme o artigo 690.8 do Código Elétrico Nacional de 2011.

1. Calcule a corrente máxima do circuito.
2. Calcule a amperagem nominal do fusível.
3. Reduzir a classificação não animal do fusível devido a condições anormais de temperatura.
4. Calcule a amperagem nominal do fusível.
5. Verifique a classificação do fusível em relação à classificação do condutor.

A proteção contra sobrecorrente (fusíveis ou disjuntores) deve ser incluída em uma fonte fotovoltaica ou circuito de saída somente se você tiver três ou mais strings de matriz. Os fabricantes de módulos fotovoltaicos geralmente especificam o número máximo de strings que podem ser conectadas em paralelo sem a adição de qualquer proteção por fusível, por meio da capacidade máxima de corrente reversa de um módulo fotovoltaico.

Os fusíveis geralmente são colocados dentro de uma caixa combinadora (se o seu sistema estiver usando uma caixa combinadora) ou dentro do seccionador CC ou de uma caixa de junção do conjunto.

A maioria dos dispositivos de sobrecorrente é classificada para uma temperatura operacional máxima de 45 °C. Isso funciona perfeitamente para a fiação doméstica comum. Por outro lado, devido à sua localização ao ar livre ou dentro de sótãos, os componentes fotovoltaicos podem estar sujeitos a muito mais calor. Portanto, se você planeja colocar fusíveis ou disjuntores em locais com alta temperatura, consulte as folhas de especificações do produto/fatores de ajuste de temperatura elevada. Caso contrário, o circuito pode apresentar disparos incômodos ou fusíveis queimados em climas quentes.

Para determinar a classificação normal do dispositivo OC, comece com a seguinte equação:

Corrente nominal do circuito = Imáx.
Capacidade de corrente OC = Imax × número de sequências de módulos × 1,56

No lado CC do circuito, a corrente de curto-circuito (Isc) é usada para este cálculo. Se o seu fusível for instalado dentro de um combinador ou de uma caixa de junção de matriz, por exemplo, Isc será igual à especificação de corrente de curto-circuito dos módulos.

Para nossa matriz de amostra de módulos Sharp, o cálculo é dado como:

6,35 A (corrente de curto-circuito) × 1,56 = 9,906 A

Como os fusíveis são vendidos em tamanhos padrão (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 30 amperes, etc.), a UL determina que você deve selecionar o tamanho mais próximo ou um pouco acima do valor nominal da corrente. Para 9,906 A, isso significa um fusível de 10 A.

Para circuitos fotovoltaicos que incorporam um inversor convencional com um transformador integrado, apenas uma das duas polaridades (positiva ou negativa) do par, geralmente o fio não aterrado ou fio fase, deve ter fusível. No entanto, se você tiver um inversor sem transformador, ambos os fios do par devem ter fusível.

Caso você esteja se perguntando, o multiplicador de 1,56 no cálculo da classificação atual é um atalho que incorpora duas fórmulas NEC que se aplicam a circuitos fotovoltaicos.

O primeiro é: Imax×1,25, que é igual ao que o NEC chama de corrente contínua de um circuito.

A segunda fórmula é: Corrente contínua × 1,25, que fornece uma margem acima do primeiro valor para evitar disparos indesejados devido a pequenas flutuações de corrente. Agora, se você tomar 1,25 × 1,25 (ou 1,25 ao quadrado), obterá 1,56.
Para o nosso sistema de exemplo conectado à rede, com um inversor normal sem transformador, uma string de dois conjuntos e uma tensão (medida anteriormente) de 420,36 V, a caixa de junção ou combinadora que compramos deve ser classificada para 1000 V CC (ou seja, o tamanho padrão) para acomodar os condutores positivo e negativo de pelo menos duas strings e ter uma classificação mínima de 20 A. Portanto,

Isc por string=6,35A
Número de strings em paralelo = 2
Corrente total fluindo através do circuito = 6,35 × 2 = 12,7 A
Tomando o fator de classificação do fusível de 1,56 = 12,7 × 1,56 = 19,81 A
A classificação do fusível a ser considerada deve ser >20A.

Portanto, o condutor 20A selecionado é um cabo de cobre de 6 mm² que é capaz de suportar tal classificação de corrente.
O sistema agora pode funcionar com segurança.

A curva de desativação do fusível em relação à temperatura é apresentada na Fig. 2.

Fig. 2: Curva de temperatura do fusível fotovoltaico

Selecione fusíveis com base nos padrões de certificação

Ao contrário dos sistemas CA típicos conectados à rede, a corrente de curto-circuito disponível em sistemas fotovoltaicos é limitada e os dispositivos de proteção contra sobrecorrente precisam operar efetivamente com baixos níveis de corrente de falha. Por esse motivo, a maioria dos fabricantes realizou extensa pesquisa e desenvolvimento de elos fusíveis especificamente projetados e testados para proteger com segurança sistemas fotovoltaicos com altas tensões CC e baixas correntes de falha.

A Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) reconhece que a proteção de sistemas fotovoltaicos é diferente para instalações elétricas padrão. Isso se reflete na norma IEC 60269-6 (gPV), que define características específicas que um elo fusível deve atender para proteger sistemas fotovoltaicos.

As linhas de fusíveis fotovoltaicos de string e derivação dos fabricantes foram projetadas especificamente para atender a essa norma. Esses fusíveis fotovoltaicos são totalmente testados de acordo com os requisitos da norma IEC 60269-6.

No entanto, os fabricantes de elos fusíveis fotovoltaicos excedem os requisitos da norma IEC 60269-6, pois operam a 1,35 x In (1,35 vezes a corrente nominal). Estes também atendem aos requisitos da norma UL 2579 e, portanto, são adequados para proteger módulos fotovoltaicos em situações de corrente reversa. Embora a norma não reconheça um símbolo específico, uma combinação de símbolos para elos fusíveis e strings é frequentemente usada para indicar que um elo fusível é adequado para proteger strings em sistemas fotovoltaicos.