Aterramento em Usinas Fotovoltaicas

•                                                     Aterramento em Usinas Fotovoltaicas

As usinas fotovoltaicas podem ocupar grades áreas. O custo de um sistema de aterramento de grande escala pode chegar a milhões de reais, portanto, um projeto bem elaborado pode gerar uma grande economia em um projeto de grande porte.

Neste artigo estamos lidando com usinas de 1 MW até 5 MW.

O projeto do sistema de aterramento dos parques solares é necessário para garantir um sistema funcional, bem como a segurança pessoal durante falhas. As normas brasileiras e internacionais devem se aplicar em um projeto de aterramento, enquanto sua avaliação de segurança envolve a modelagem e simulação em software.

O aterramento em usinas fotovoltaicas é um assunto pouco falado pois se trata de um sistema composto por vários itens, sendo assim não temos uma norma especifica para este fim (aterramento em UFVs).

Em uma usina fotovoltaica temos os componentes CC, módulos, inversores e quadros de proteção CC. Temos os componentes AC inversores, transformadores e quadros de proteção CA. Temos também os componentes em média tensão cabines e transformadores. E também temos os itens de CFTV e Automação. Podemos ver a variedade de sistemas existentes em uma planta solar.

O projeto e dimensionamento da malha de aterramento em usinas fotovoltaicas se torna complexo por existirem vários sistemas dentro de uma planta fotovoltaica. E então como seguir?

O sistema de aterramento padrão de um parque solar é o seguinte:

Os lados CC e CA do sistema são isolados galvanicamente (funcionalmente). O lado CC do sistema fotovoltaico pode ser aterrado ou não aterrado. Quando é aterrado é feito no dispositivo de proteção contra falha à terra dos inversores. Os sistemas de aterramento CC e CA do sistema solar são geralmente ligados para melhorar o desempenho geral do sistema de aterramento.

O sistema de aterramento principal consiste em condutores e hastes de cobre nus enterrados (observe que as hastes de aterramento raramente são benéficas para fazendas solares), juntamente com as estruturas de suporte de painel metálico interconectadas acima do solo, postes de suporte e bandejas de cabos. Ao contrário de um sistema típico de aterramento de subestação, a grande área coberta por um parque solar torna impraticável a instalação de malhas enterradas de condutores para atingir um plano quase equipotencial, nem é prático e econômico instalar brita em toda a superfície para aumentar a segurança.

Cada fileira de equipamentos e estruturas de suporte do conjunto de painéis solares é ligada ao sistema de aterramento principal em cada extremidade ou, em alguns projetos, um cabo de aterramento de cobre contínuo será executado de ponta a ponta de uma fileira acima ou abaixo do nível do solo.

Observe que se as estruturas de suporte forem utilizadas como parte dos sistemas de aterramento, então deve ser garantido:

• O caminho entre painéis e suportes é verdadeiramente eletricamente contínuo.

• Os postes de apoio devem ser protegidos da corrosão através de galvanização.

A corrosão galvânica causada pelo contato entre metais diferentes, como cobre e aço, deve ser evitada, caso contrário, conexões “estanhadas” poderão ser usadas.

A Figura 1 abaixo mostra um exemplo de estrutura de suporte do painel fotovoltaico (parte do aterramento auxiliar). A marcação vermelha na figura mostra como essas estruturas foram incluídas no modelo de aterramento – a seção do poste metálico no solo é tratada como uma haste e essas hastes estão relacionadas a condutores isolados.

                                           Figura 1- Modelo de aterramento auxiliar

Em geral, a quantidade de condutor de aterramento enterrado instalado em parques solares é minimizada apenas o suficiente para ligar cada bloco dos conjuntos entre os inversores individuais e os transformadores elevadores. Um anel de classificação enterrado normalmente é colocado ao redor da parte externa de qualquer equipamento inversor/transformador para minimizar as tensões de toque.

Se o parque solar possuir uma subestação para ligação à rede eléctrica, então este sistema de ligação à terra pode ser ligado ao do parque solar.

Observe que se a rede terrestre da subestação estiver interconectada com a do parque solar, então as faltas do lado HV dos transformadores da subestação precisarão ser usadas na modelagem, o que provavelmente resultará em tensões de toque e de passo mais altas.

As cercas metálicas que circundam os parques solares normalmente exigirão aterramento adicional e o aterramento da cerca deve ser ligado e instalado o mais próximo possível do sistema de aterramento principal para minimizar os riscos de tensão de toque causados por falhas próximas, potenciais de transferência ou indução de sistemas de transmissão.

                                       Riscos de segurança pessoal durante falhas à terra

Preocupações de segurança semelhantes que ocorrem durante falhas em subestações existem para parques solares. Os seguintes perigos devem ser investigados para falhas em parques solares de acordo com IEEE Std 2778 [1]:

1. Tensões de toque em todos os equipamentos elétricos ou objetos aterrados dentro dos limites da cerca.

2. Tensões de toque em quaisquer cercas metálicas próximas, estejam elas conectadas ou não, devido a possíveis tensões de transferência. 

3. Tensões de toque em estruturas ou equipamentos aterrados nas proximidades do parque solar que podem ser afetados por tensões de transferência.

4. Tensões de passo em toda e um pouco além de toda a instalação do parque solar (geralmente 1m do cercamento).

Recomenda-se usar cálculos de tensão de toque baseados no conceito de “tensão de toque de alcance” para grandes sistemas de aterramento de fazendas solares. O uso de tensões de toque de alcance evita superestimar as tensões de toque.

                                             O que são tensões de toque de alcance?

Primeiramente vamos começar com a seguinte definição. A tensão de toque é a diferença de potencial entre o aumento do potencial da rede (GPR) de uma rede ou sistema de aterramento e o potencial da superfície no ponto onde uma pessoa poderia estar em pé e ao mesmo tempo ter uma mão em contato com uma estrutura aterrada.

A Figura 2 abaixo mostra o cenário de tensão de toque onde a corrente de falta I f está sendo descarregada no sistema de aterramento da subestação. O ponto H está no mesmo potencial que a rede de terra na qual flui a corrente de falta, e o ponto F é o ponto na superfície do solo em contato com os dois pés da pessoa. A corrente corporal I b flui de H para F.

                                                    Figura 2. Cenário de tensão de toque

                          As tensões de toque de alcance são diferentes das tensões de toque.

A tensão de toque de alcance é automaticamente definida como zero quando a distância entre o ponto de tensão na superfície do solo (representando a localização dos pés de uma pessoa) e o condutor da rede mais próximo que é tocado excede uma distância de alcance especificada pelo usuário (geralmente a distância de alcance é de 1,5 metros ). O toque de alcance é útil quando há certeza de que os condutores de aterramento estão mais distantes do que uma pessoa poderia tocar, o que de outra forma leva ao relato de tensões de toque infladas.

                    Cálculo de tensões de toque de alcance – Exemplo

Abaixo estão os resultados calculados da tensão de toque para um sistema de aterramento de subestação de 110 kV. Os cálculos foram realizados usando o software ELEKSafeGrid Earthing . A Figura 3 mostra o modelo de rede composto pela subestação e pelo sistema de aterramento do edifício, que estão interligados.

                     Figura 3. Modelo de sistemas de aterramento de subestações e edifícios.

A Figura 4 abaixo fornece um gráfico regular de tensão de toque onde as tensões de toque são mostradas para todas as áreas, mesmo onde não seria possível uma pessoa estar em contato com o sistema de aterramento. Observe que a tensão máxima de toque de 270 está nos cantos nordeste e sudoeste da imagem do gráfico.

                                 Figura 4. Gráfico de tensão de toque para todos os locais.

A Figura 5, por outro lado, é um gráfico de tensão de toque de alcance onde as tensões de toque no solo são mostradas se estiverem dentro da distância de alcance. A tensão máxima de toque, neste caso, é de 118 V.

Figura 5. Gráfico de tensões de toque de alcance (tensões de toque dentro de uma distância de alcance de 1,5 m).

                               Alcance tensões de toque para projetos renováveis

Devido às grandes áreas cobertas por parques solares fotovoltaicos e suas redes de aterramento associadas, o uso do conceito de alcance e aplicação prática com a modelagem de software pode ser útil.

Isso ocorre porque com a abordagem de tensão de toque de alcance a tensão de referência da rede usada não é o aumento potencial da rede (a tensão máxima da rede que pode estar longe de onde a tensão de toque está sendo calculada), mas usa a tensão da rede mais próxima condutor como referência.

Por exemplo, se você estiver examinando as tensões de toque nas estruturas do painel fotovoltaico na extremidade da usina solar e o cenário de falha à terra for uma falha na subestação principal, se você usar GPR na subestação para a referência de tensão de toque, as tensões podem ser grosseiramente superestimadas. O mesmo se aplica aos parques eólicos ao considerar as tensões de toque nas turbinas eólicas individuais para uma falta à terra na subestação principal (provavelmente elas estão muito distantes umas das outras).

Principais conclusões:

A seguir estão as principais conclusões para tensões de toque de alcance:

                Demonstração adicional de superestimação da tensão de toque

Este exemplo simples mostra que para calcular tensões de toque, a tensão do condutor mais próximo do local de toque deve ser usada para os cálculos.

O modelo consiste em duas redes de terra de malha quadrada de 30 metros separadas por 300 metros e ligadas entre si por um único condutor de ligação isolado (o mesmo conceito demonstrado é válido se o condutor de ligação também estiver nu).

Uma falta é aplicada na Rede 1 e a tensão dos condutores é 436,2 V (GPR) e 272,8 V na Rede 1 e na Rede 2 (uma diferença de 163,4 V). Vamos considerar qual seria a tensão de toque que uma pessoa experimentaria se estivesse localizada na Rede 2. Se a tensão do condutor da rede na Rede 1 (que é GPR) for usada como referência, a tensão de toque será superestimada em 298,4 V. Por outro lado, se a referência usada fosse a tensão do condutor mais próximo (dentro do alcance) da Rede 2, então a tensão de toque real seria 83,8 V, que neste caso é muito menor.

Figura 6. Cálculo de tensões de toque para duas redes de aterramento separadas e ligadas entre si – visualização em planta (2D).

Abaixo estão gráficos de linhas de tensões de toque para as mesmas duas grades separadas.

Figura 7. Cálculo de tensões de toque para duas redes de aterramento separadas e ligadas entre si – Gráficos de linhas.

                                                Medições e modelagem de resistividade do solo

Um modelo preciso ou conjunto de modelos da resistividade elétrica do solo é necessário em todo o local do parque solar, de acordo com as metodologias descritas na NBR 7117.

Vários conjuntos de medições de solo devem ser realizados para espaçamentos de 1, 2, 4, 8, 16 e 32 metros entre sondas (de 0,5 m a cerca de 30 m cravadas no solo) em toda área da UFV.

                                                                                     Nível de corrente de falha à terra

Uma investigação do nível de falta à terra deve ser realizada para estabelecer o pior cenário de nível de falta, incluindo magnitude, relação X/R e tempo de eliminação, que será usado para avaliar a segurança. Acontece que esta investigação para um parque solar não é muito diferente daquela para uma subestação, com algumas diferenças importantes a serem consideradas.

Falhas nos sistemas BT CA, incluindo em transformadores elevadores ou inversores, podem ter alta magnitude de corrente, mas o aumento do potencial de terra (GPR) é limitado à tensão fase-terra do sistema LV. Assim, em geral, as falhas nos sistemas de AT ou MT produzem o pior cenário para a segurança pessoal num parque solar e todos os cenários devem ser investigados.

Se a rede de aterramento da subestação estiver conectada ao parque solar, as falhas no lado de alta tensão dos transformadores da subestação serão frequentemente o pior caso e resultarão nas tensões de toque e de passo mais altas.

                                                                             Modelagem de software

Conforme descrito anteriormente, o sistema de aterramento enterrado total do parque solar é composto por vários componentes.

Esses componentes incluem:

• Rede fotovoltaica principal – conecta o aterramento de grupos de conjuntos e inclui o aterramento do transformador/inversor.

• Aterramento auxiliar – consiste nos postes metálicos de suporte do painel fotovoltaico que são enterrados e interligados eletricamente com estruturas de suporte ou cabos ou ambos.

• Sistema de aterramento da cerca – consiste em postes de cerca enterrados e condutor.

• Rede da subestação (se aplicável) – malhas típicas de condutores enterrados.

  Ter todos os componentes acima incluídos em um modelo de software para os sistemas de aterramento resultará em maior precisão, obviamente. No entanto, haverá uma séria compensação com o tempo de cálculo. Também pode ser impossível modelar todos os componentes, especialmente para parques solares extremamente grandes e complicados, caso em que a modelação pode ser limitada a uma secção de amostra do sistema de ligação à terra total. Ou seja, podemos realizar estudo por partes em e caso de grande usinas onde o software nos limita a modelagem.

  A inclusão do aterramento auxiliar no modelo, especialmente, resulta em uma redução significativa na quantidade de aterramento necessária para o componente principal da rede fotovoltaica. A cerca e o aterramento da subestação também auxiliam na obtenção de um projeto seguro.

                                                                                          Cálculos de exemplo

Para este artigo utilizaremos simulações no software Tecat 7.0. Neste Software realizamos estratificação do solo, cálculo de sessão mínima dos condutores, cálculo dos potenciais admissíveis e também geramos gráficos de potencias de toque e passo em locais pré- determinados por linhas de corte dentro da usina.

Para iniciarmos nossas simulações precisamos primeiramente da sondagem vertical elétrica do solo. Para isso utilizaremos a estratificação abaixo para realizarmos nossos testes. Figura 8.

                                                             Figura 8 – Valores de Resistividade do solo

Segundo passo é identificar o nível de curto no ponto de entrega da UFV e também o nível de curto no barramento geral de baixa tensão, para isso precisamos do estudo de proteção e seletividade. Nesta simulação utilizaremos os dados abaixo para nossos testes.

                                                         Figura 9 – Níveis de curto-circuito BT e MT

Com isso devemos realizar o cálculo de sessão mínima do condutor a ser utilizado, neste caso vamos usar a cordoalha de cobre nu e os parâmetros para o cálculo estão logo abaixo:

                                      Figura 10 – Dados condutor de cobre para cálculo da sessão mínima

Sendo assim o cálculo demostra que a sessão mínima do condutor deve ser de 40,56 mm2, como não temos esta sessão no mercado utilizaremos a cordoalha de cobre nu 50 mm2.

                                                           Figura 11 – Sessão mínima calculada

Agora podemos começar a pensar na malha de aterramento. E como podemos começar?

Vamos iniciar nossa malha pela cabine primaria, pois é onde temos o maior ponto de atenção quanto a tensão de toque e tensão de passo.

Para isso calculamos os níveis de potenciais admissíveis para toque e passo. Abaixo os cálculos fornecidos pelo Tecat:

                                                Figura 12 – Cálculo dos níveis de potenciais admissíveis

Sendo assim vamos para os testes de qual malha atende a cabine primaria:

                                                        Figura 13 – Malha de aterramento da Cabine

Com a cabine dimensionada e atendendo aos potenciais de toque e passo, partimos para modelar a malha de toda a usina, seguindo as seguintes premissas:

• Anel ao entorno dos módulos fotovoltaicos com 1 metro de distancias das estruturas metálicas;

• Anel ao entorno da sala de controle com 1 metro de distancias das estruturas metálicas;

• Equipotencializar postes de CFTV e estruturas metálicas a malha;

• Considerar aterramento auxiliar (hastes dos trackers, haste adicional, postes de CFTV, Cercamento, etc)

  Um ponto importante a ser observado é o cercamento da usina, onde devemos analisar se conectamos ou não a malha de aterramento.

  Para isso vamos analisar 3 casos diferentes:

  O primeiro será com a malha interligada ao cercamento, o segundo com a malha desconectada do cercamento e o terceiro caso extrapolando o cercamento para longe da malha de aterramento e desconectada da malha de aterramento, conforme figura 14.

                                                      Figura 14 – Malha de aterramento

       Caso 1 – Malha conectada a cerca:

Modelamos a malha com a cerca conectada e implementamos no Tecat para simulação dos potenciais internamente a UFV.

                                     Figura 15 – Malha de aterramento cerca conectada

Em seguida o software calcula a resistência da malha de aterramento e o máximo potencial da malha.

                               Figura 16 – Resistencia da malha de aterramento

Sendo assim podemos analisar os potenciais nos pontos onde as linhas azul e verde cortam a UFV.

                                                          Figura 17 – Linhas de corte tensão de toque

Abaixo o gráfico mostrando os potenciais nos pontos onde as linhas verde e azul cortam a UFV.

                                                                Figura 18 – Gráfico 2D tensão de toque

Podemos notar que o potencial de toque próximo ao cercamento aumenta significativamente, e está na faixa de 300 V, porém dentro do limite permitido que foi calculado que é de 314,47 V.

            Caso 2 – Malha não conectada a cerca:

Modelamos a malha com a cerca desconectada e implementamos no Tecat para simulação dos potenciais internamente a UFV.

                                         Figura 19 – Malha de aterramento cerca desconectada

Em seguida o software calcula a resistência da malha de aterramento e o máximo potencial da malha novamente. Nota-se que neste caso o cercamento desconectado ele se torna uma malha passiva e o tecat calcula a elevação de potencial passivo.

                                      Figura 20 – Resistencia da malha de aterramento

Sendo assim podemos analisar os potenciais nos pontos onde as linhas azul e verde cortam a UFV.

                                          Figura 21 – Linhas de corte tensão de toque

Abaixo o gráfico mostrando os potenciais nos pontos onde as linhas verde e azul cortam a UFV.

                                            Figura 22 – Gráfico 2D tensão de toque

Podemos notar que o potencial de toque próximo ao cercamento aumenta significativamente passando do limite admissível, na faixa de 550 V. Notamos que ao desconectar o cercamento os níveis de tensão de toque aumentaram significativamente em relação a simulação com o cercamento conectado com a malha que estava na faixa de 300V.

            Caso 3 – Malha não interligada a cerca e cercamento distante

Modelamos a malha com a cerca desconectada e extrapolamos o cercamento levando- o para longe da malha e implementamos no Tecat para simulação dos potenciais internamente a UFV.

              Figura 23 – Malha de aterramento cerca desconectada e longe da malha

Em seguida o software calcula a resistência da malha de aterramento e o máximo potencial da malha novamente. Nota-se que neste caso o cercamento desconectado ele se torna uma malha passiva e o tecat calcula a elevação de potencial passivo.

                                         Figura 24 – Resistencia da malha de aterramento

Sendo assim podemos analisar os potenciais nos pontos onde as linhas azul e verde cortam a UFV.

                                                 Figura 25 – Linhas de corte tensão de toque

Abaixo o gráfico mostrando os potenciais nos pontos onde as linhas verde e azul cortam a UFV.

                                                                   Figura 26 – Gráfico 2D tensão de toque

Podemos notar que o potencial de toque próximo ao cercamento aumentou mais ainda, na faixa de 900V. Notamos que ao desconectar o cercamento e distanciá-lo da malha os níveis de tensão de toque aumentaram significativamente em relação a simulação com o cercamento conectado com a malha que estava na faixa de 300V.

Sendo assim vamos as comparações:

No caso 1 onde conectamos o cercamento a malha de aterramento apresentou valor dentro dos níveis permitidos. Nos casos 2 e 3 percebemos um aumento significativo das tensões de toque próximo ao cercamento.

Mas existem casos em que o cercamento conectado ou desconectado são atendidos os potenciais.

    E aí qual o melhor a ser utilizado?

Ao se conectar a malha de aterramento ao cercamento pensamos na seguinte frase que sempre ouço, “conectando a malha a cerca levamos o potencial perigoso para a cerca!”

Isso está correto?

     Nãooooo!

Devemos analisar cada caso a parte é claro, pois isso não é uma regra.

Abaixo coloco um caso em que os potenciais admissíveis atendem em ambos os casos. Vamos a ele.

Caso em que as tensões de toque e passo atendem com a malha conectada ao cercamento e desconectada do cercamento.

Malha desconectada a Cerca:

Cálculo dos níveis de potenciais admissíveis:

                                  Figura 27 – Cálculo dos níveis de potenciais admissíveis

Modelamos da malha no tecat e traçamos a linha dentro da área da UFV para verificar os potenciais.

                                                                                                       Figura 28 – Linhas de corte tensão de toque

Abaixo o gráfico mostrando os potenciais nos pontos onde a linha azul corta a UFV.

                                                  Figura 29 – Gráfico 2D tensão de toque

Nota-se que os níveis de tensão próximo ao cercamento está na faixa de 750V. Grave este valor para analisarmos a frente.

      Malha conectada a Cerca:

Cálculo dos níveis de potenciais admissíveis:

Modelamos da malha no tecat e traçamos a linha dentro da área da UFV para verificar os potenciais.        

                                              Figura 31– Linhas de corte tensão de toque

Abaixo o gráfico mostrando os potenciais nos pontos onde a linha azul corta a UFV.

Neste caso com a cerca conectada a malha os níveis de tensão próximo ao cercamento está na faixa de 300 V.

Vamos analisar os dois casos:

Com a cerca desconectada a elevação dos potenciais próximos ao cercamento é muito maior do que a elevação dos potenciais com a cerca conectada a malha.

                                                             Conclusões e Recomendações

Este artigo apresenta o projeto recomendado para sistemas de aterramento de parques solares com referência à IEEE Std 2778-2020 e técnicas de modelagem utilizando software.

Temos as seguintes recomendações:

Obtenha medições precisas de resistividade do solo ao longo da área da UFV e obtenha um modelo geral de resistividade do solo multicamadas.

Modele o arranjo de aterramento do parque solar o mais próximo possível da instalação real e certifique-se de incluir o sistema de aterramento auxiliar, incluindo postes e estruturas de suporte do painel fotovoltaico.

Observe que, devido ao grande tamanho desse teste de validação pós-construção dos resultados da modelagem (impedância real da rede, toque e tensões de passo), muitas vezes

não é prático. Portanto, modelos de software precisos são necessários para confirmar que nosso sistema de aterramento será seguro.

A interligação da cerca a malha, não é pela questão de aterra-la. Quando se tem uma corrente de falta a corrente que circula pelos condutores de aterramento geram um campo magnético e isso eleva a tensão do solo, então temos um gradiente de potencial no solo, ou seja, tensão de níveis diferentes a cada distância do eletrodo de aterramento então a DDP entre um ponto e outro gera a tensão de passo (A tensão de toque e passo se dá por um DDP entre o toque e o solo ou entre os passos no solo). Interligando a cerca ao aterramento esse gradiente será distribuído pelos eletrodos de aterramento diminuindo assim esse gradiente nesses trechos diminuindo os riscos de DDP nestes pontos.

Então nota-se que conectar o cercamento a malha de aterramento é mais vantajoso, pois a elevação de potencial é muito mais baixa.

     Referências

[1] IEEE Std 80-2013, Guide for Safety in AC Substation Grounding.

[2] “Guia IEEE para aterramento de usinas de energia solar para proteção de pessoal”, em IEEE Std 2778-2020 , vol., no., pp.1-24, 17 de abril de 2020: 10.1109/IEEESTD.2020.9068514.

[3]“IEEEGuideforSafetyinACSubstationGrounding”,em IEEEStd80-2013(Revisãode IEEE Std 80-2000/ Incorpora IEEE Std 80-2013/Cor 1-2015) , vol., no., pp. 1-226, 15 de maio de 2015, doi: 10.1109/IEEESTD.2015.7109078.

[4] “Guia IEEE para Medir a Resistividade da Terra, Impedância do Solo e Potenciais da Superfície Terrestre de um Sistema de Aterramento”, em IEEE Std 81-2012 (Revisão do IEEE Std 81-1983) , vol., no., pp.1- 86, 28 de dezembro de 2012, doi: 10.1109/IEEESTD.2012.6392181.