Instalações de Sistemas de Geração Solar Fotovoltaica Um estudo sobre sistemas de aterramento, proteção contra surto e descargas atmosféricas

Abstract

Atualmente no Brasil passamos por uma crescente demanda pelas instalações de sistemas para geração solar fotovoltaica, em conjunto com preocupações quanto às técnicas e métodos utilizados para aterramento, dimensionamento de sistemas de proteção contra surtos e de proteção contra descargas atmosféricas para estas instalações. Este cenário torna-se extremamente preocupante, à medida que muitos sistemas de geração solar fotovoltaica, são conectados em sistemas elétricos sem a presença de sistema de aterramento, utilização de DPS (dispositivo de proteção contra surto), e muita vezes em instalações sem a utilização de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA). Neste contexto, este artigo apresenta uma análise de algumas normas e recomendações para segurança destas instalações.

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2016 Brazilian Technology Symposium
ISSN 2447-8326. V.2. © BTSym’2016
Instalações de Sistemas de Geração Solar Fotovoltaica
Um estudo sobre sistemas de aterramento, proteção contra surto e descargas atmosféricas
Douglas Aguiar do Nascimento
Departamento de Comunicações (DECOM)
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
eng.douglas.a@ieee.org
Hermes José Loschi
Departamento de Comunicações (DECOM)
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
hermes@decom.fee.unicamp.br
Yuzo Iano
Departamento de Comunicações (DECOM)
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
yuzo@decom.fee.unicamp.br
Silvio Renato Messias de Carvalho
Departamento de Comunicações (DECOM)
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
srcmessias@gmail.com
Resumo— Atualmente no Brasil passamos por uma
crescente demanda pelas instalações de sistemas para
geração solar fotovoltaica, em conjunto com preocupações
quanto às técnicas e métodos utilizados para aterramento,
dimensionamento de sistemas de proteção contra surtos e
de proteção contra descargas atmosféricas para estas
instalações. Este cenário torna-se extremamente
preocupante, à medida que muitos sistemas de geração
solar fotovoltaica, são conectados em sistemas elétricos
sem a presença de sistema de aterramento, utilização de
DPS (dispositivo de proteção contra surto), e muita vezes
em instalações sem a utilização de sistemas de proteção
contra descargas atmosféricas (SPDA). Neste contexto, este
artigo apresenta uma análise de algumas normas e
recomendações para segurança destas instalações.
Palavras-Chave: SPDA, DPS, Aterramento, Sistema
Fotovoltaico
I. INTRODUÇÃO
Algumas recomendações encontradas na literatura
destacam que o propósito do sistema de aterramento é
certificar de que não exista, ou, que seja minimizada, a
diferença de potencial entre as partes de metal expostas dos
equipamentos utilizados em uma instalação de geração solar
fotovoltaica, com a terra. Portanto todos os equipamentos
metálicos devem ser aterrados, incluindo calhas de metal,
invólucros, peças de montagem, armação do módulo,
acessórios de canalização, entre outros. Outro ponto
importante é o SPDA. Caso a instalação tenha um SPDA,
deve-se dimensionar sua conexão com o aterramento principal
da instalação, além da utilização de DPS entre as conexões
com os equipamentos utilizados na instalação dos sistemas de
geração solar fotovoltaica [1]-[14].
II. PROTEÇÃO CONTRA SURTOS E DESCARGAS ATMOSFERICAS
Atualmente, por meio da geração de energia elétrica
distribuída, em que se utiliza sistema de geração solar
residencial sobre telhado, por exemplo, os módulos
fotovoltaicos tornaram-se a interface mais próxima da
atmosfera, sendo expostos às descargas atmosféricas diretas
ou indiretas. A capacidade de geração de eletricidade depende
da área de captação da luz solar, por isso, quanto maior a
capacidade do sistema, maior o número e/ou a área dos
módulos fotovoltaicos e maiores a sua exposição às descargas
atmosféricas. Em instalação elétrica de edificações o projeto
do SPDA deve levar em consideração a existência do sistema
de geração solar fotovoltaica para que este esteja dentro do
volume de proteção do subsistema de captação do SPDA para
evitar que os módulos fotovoltaicos sejam atingidos.
Entre as estruturas de sustentação dos módulos
fotovoltaicos, externos ou em edificações, deve ser
considerada a distância de segurança para impedir
centelhamentos entre os componentes metálicos do SPDA e
do sistema de geração solar fotovoltaica, onde as medidas
contidas em um SPDA de classe III (conforme classes
definidas na ABNT NBR 5419-2015) são normalmente
suficientes para as características. Na elaboração do projeto do
SPDA devem ser observados os seguintes pontos:
 O sistema de aterramento do sistema de geração solar
fotovoltaica deve ser interligado ao sistema de aterramento
principal da instalação;
 Condutores de equipotencialização devem ser roteados em
paralelo e o mais próximo possível dos cabos de corrente
contínua;
 Os condutores de sinal devem estar incluídos na filosofia
de proteção.
Em condições, onde a instalação de um SPDA não seja
necessária, então se faz necessário o fornecimento da proteção
da linha elétrica de entrada (para o caso da instalação não ser

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em um ambiente urbano). Nestes casos, é necessário uma
atenção especial para a escolha do nível de proteção do DPS.
Fig. 1. Módulos fotovoltaicos dentro da zona de proteção (LPZ) de um SPDA [14].
Caso o DPS seja instalado a menos de 10 metros de
distância dos dispositivos a serem protegidos, o comprimento
das conexões devem ser levados em conta, para calcular o
nível de proteção do DPS , podendo ser dimensionado de
acordo com a equação 1 [5].
(1)
onde, é o nível de proteção real do DPS, é a
tensão de descarga suportável do aparelho a ser protegido e
é a queda de tensão nos condutores de ligação do DPS.
Há muitas opções de dispositivos que atendem a vários
equipamentos e a vários ambientes. Afinal, cada DPS possui
uma finalidade. A seguir, destacam-se as classes que existem e
quais as situações em que cada uma pode ser aplicada. São
divididas entre [2]:
 Classe I: instalações que levam descargas atmosféricas
diretamente nas hastes de para-raios ou na rede elétrica. É
um recurso muito utilizado em indústrias e em construções
de elevadas alturas (edifícios, por exemplo);
 Classe II: usadas para proteger o local, em geral, do
aumento excessivo da tensão (sobretensão). Esses
dispositivos são aplicados em casas e em residências;
 Classe III: o nível de proteção dessa classe abrange
equipamentos sensíveis a surtos. São instaladas em cada
aparelho.
Em sistemas de geração solar fotovoltaica, é necessário
fornecer uma proteção contra surtos e descargas atmosféricas
para o lado de corrente continua (CC). A primeira coisa a
fazer é uma de conexão entre a estrutura de suporte dos
módulos fotovoltaicos e da barra de equipotencialização da
instalação. Comumente as instalações residências utilizam um
DPS Classe II no lado dos módulos fotovoltaicos e no lado do
inversor. Para a proteção do lado CC, duas possibilidades
devem ser consideradas [5]:
a) quando a distância de separação entre SPDA e o módulo
fotovoltaico é proporcional. A figura 2 ilustra esse caso,
em que pode se verificar a distância de separação .
Fig. 2. Instalação com DPS isolado [5].

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Neste caso deve ser instalado um DPS Classe II no lado
dos módulos fotovoltaicos e no lado do inversor.
b) quando a distância de separação entre SPDA e o módulo
fotovoltaico não é proporcional. A figura 3 ilustra esse
caso, em que pode se verificar a distância de separação .
Fig. 3. Instalação com DPS isolado [5].
Neste caso uma ligação equipotencial da estrutura dos
painéis com o SPDA é necessária, além disso, um DPS Classe I
também é necessário para a proteção do módulo, lado CC E do
inversor. A figura 4 representa a estrutura de um sistema de
geração solar fotovoltaico dividida em zonas diferentes (de A a
D) em que: A é caixa de combinação da matriz fotovoltaica,
em que oferece proteção aos módulos e às strings contra sobre
tensão de origem atmosférica- distância A/B recomendada: 10
m; B é o lado DC do inversor, oferece proteção ao inversor
contra sobretensão de origem atmosférica e seu uso é sempre
reomendado; C é o lado AC do inversor, provê proteção ao
inversor contra sobretensão de origem atmosférica – é
recomendado caso a distância entre C/D seja maior que 10 m
ou se D possui nível baixo de proteção (vide [5]); e D é o lado
inicial de AC, em que possui a função de protação do inversor
contra sobretensão de origem atmosférica e da rede e deve ser
sempre utilizado como recurso de proteção.
III. ATERRAMENTO
Uma investigação sobre métodos de aterramento para
instalações de sistemas de geração solar fotovoltaica no Brasil,
primeiramente deve compreender a ABNT NBR 5410, norma
que estabelece os critérios e materiais para instalação elétrica
de sistemas de aterramento e equipotencialização. Para
analisar os esquemas de aterramento TN-S, TN-C-S, TN-C,
TT e IT, considerados pela norma, a interpretação das figuras
deve ser feita de forma genérica e as massas que são indicadas
não simbolizam um único, mas sim qualquer que seja o
número de equipamentos elétricos a serem aterrados.
Outra particularidade trata-se que a mesma instalação pode
eventualmente abranger mais de uma edificação, neste caso, as
massas devem necessariamente compartilhar o mesmo
eletrodo de aterramento, mas podem, em princípio, estar
ligadas a eletrodos de aterramento distinto, se situadas em
diferentes edificações, com cada grupo de massas associado ao
eletrodo de aterramento da edificação respectiva. Na norma,
simbologias como: condutor neutro (N), condutor de proteção
(PE) e condutor combinando as funções de neutro e de
condutor de proteção (PEN) é frequentemente utilizado. Na
classificação dos esquemas de aterramento a seguinte
simbologia é utilizada [1]:
 “Primeira letra (situação da alimentação em relação a
terra):
o T – ponto diretamente aterrado;
o I – isolação de todas as partes vivas em relação a terra
ou aterramento de um ponto através de impedância;
 Segunda letra (situação das massas da instalação elétrica
em relação a terra):
o T – massas diretamente aterradas, independentemente
do aterramento eventual de um ponto da alimentação;
o N – massas ligadas ao ponto da alimentação aterrado
(em corrente alternada, o ponto aterrado é
normalmente o ponto neutro);
 Outras letras (disposição do condutor neutro e do
condutor de proteção):
o S – funções de neutro e de proteção asseguradas por
condutores distintos;
o C – funções de neutro e de proteção combinadas em
um único condutor.”
O conceito de ligação à terra aplicado a um sistema de
geração fotovoltaica pode envolver tanto as partes condutoras
expostas (por exemplo, estrutura de metal dos painéis), bem
como o sistema de geração de energia (módulos fotovoltaicos)

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Fig. 4. Estrutura de sistema de geração solar fotovoltaica residencial dividida em diferentes zonas [5].
A deterioração dos isoladores (que ocorre ao longo do
tempo) e a presença de umidade fazem com que a resistência
de isolamento seja reduzida. Para os autores Pinho e Galdino
(2014), o aterramento de sistemas elétricos de baixa tensão, de
acordo com a norma ABNT NBR 5410:2004, podem ser
considerados como uma ligação intencional de estruturas ou
instalações com a terra, visando garantir o correto
funcionamento da instalação e, principalmente, proporcionar
um caminho preferencial às correntes elétricas indesejáveis de
surto, falta ou fuga, a fim de evitar riscos para pessoas e
equipamentos [6].
No caso de sistema de geração solar fotovoltaico, se faz
necessário realizar o aterramento dos equipamentos
(conectando-se a carcaça condutora a terra) e o aterramento
funcional do sistema, ligando-se o circuito elétrico a terra por
meio do condutor neutro, no lado de corrente alternada (CA).
O aterramento deve estar em devidamente instalado de forma
a permitir a equipotencialização de todos os condutores
presentes na instalação. A instalação do aterramento do
sistema de geração solar fotovoltaico difere-se dos sistemas
isolados devido ao aterramento de cada unidade individual ser
interconectado com o aterramento de outras unidades
consumidoras da concessionária, o que eleva a eficiência da
malha do aterramento [6].
IV. EQUIPOTENCIALIZAÇÃO
O sistema de equipotencialização é uma medida de
proteção contra choques elétricos, que consiste em equalizar o
potencial elétrico de todos os componentes condutores de uma
instalação (excetuando-se os condutores vivos não aterrados).
Geralmente, o aterramento das massas metálicas e elementos
são feito por meio do sistema de equipotencialização, o qual é
conectado ao sistema de aterramento [7].
Com isso, o sistema de equipotencialização consiste em um
BEP (Barramento de Equipotencialização Principal) e
condutores de proteção ligados aos componentes ou partes
metálicas que devem ser aterrados e, ou, equipotencializados.
O barramento principal é, então, conectado ao barramento de
terra que, por sua vez, é ligado à malha de aterramento da
instalação. Em algumas ocasiões, podem ser necessários
sistemas de equipotencialização suplementares em algumas
partes do sistema distantes da equipotencialização principal,
que deve ser interconectados ou dividirem a mesma malha de
aterramento, conforme ilustrado na figura 5 [7].
Fig. 5. Exemplo de sistema de aterramento e equipotencialização de um sistema fotovoltaico. A equipotencialização suplementar pode ser: (a) conectada à
principal; (b) ligada à malha de aterramento principal [7]

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V. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente estudo teve como objetivo uma avaliação das
técnicas de proteção contra descargas atmosféricas e
aterramento para sistemas de geração solar fotovoltaica. O
estudo foi realizado com base em algumas normas e
recomendações, onde foi possível constatar que o esquema de
aterramento mais apropriado a ser utilizado é o TN (único
ponto da alimentação diretamente aterrado e as massas ligadas
ao ponto da alimentação aterrado) e que a configuração de
equipotencialização mais adequada a um sistema fotovoltaico é
a (configuração de malha integrada em uma malha). Além
disso, como forma de mitigar surtos induzidos, podendo ser
ocasionados por descargas atmosféricas, entre as partes
metálicas expostas, de uma estrutura a ser protegida, deve-se
empregar a blindagem eletromagnética e o roteamento de
linhas de equipotencialização internas de conexão da estrutura
e a utilização e sistemas de proteção contra surtos.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer à Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), o
Concelho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico (CNPq), à Fundação de Amparo à Pesquisa do
Estado de São Paulo (FAPESP), do Departamento de
Comunicações (DECOM), à Faculdade de Engenharia Elétrica
e de Computação (FEEC), à Universidade Estadual de
Campinas (UNICAMP), e à Fundação de Apoio à Capacitação
em Tecnologia da Informação (FACTI), pelo apoio no
desenvolvimento desta pesquisa.
REFERÊNCIAS
[1]. ABNT NBR 5410-2004 – Instalações elétricas de baixa tensão; da
Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).
[2]. ABNT NBR 5419- 2015 – Proteção de estruturas contra descargas
atmosféricas; Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).
[3]. ABNT NBR IEC 61643-1:2007 – Dispositivos de proteção contra
surtos em baixa tensão; Parte 1: Dispositivos de proteção conectados a
sistemas de distribuição de energia de baixa tensão; Associação
Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).
[4]. ABNT NBR 14432-2000 – Exigências de resistência ao fogo de
elementos construtivos de edificações – Procedimentos; Associação
Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).
[5]. ABB – Asea Brown Boveri. Technical Application Papers No. 10:
Photovoltaic Plants. 2014. Disponível em:<
http://www.abb.com/abblibrary/DownloadCenter/>. Acesso em: 19 jun
2016.
[6]. PINHO, João Tavares; GOLDINO, Marco Antonio. Manual de
Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Grupo de Trabalho de Energia
Solar – GTES. CEPEL – CRESESB: Rio de Janeiro, 2014.
[7]. J. C. Hernandez, P. G. Vidal, and A. Medina, “Characterization of the
insulation and leakage currents of PV generators: Relevance for human
safety,” Renew. Energy, vol. 35, no. 3, pp. 593–601, Mar. 2010.
[8]. WILES, John C. Photovoltaic System Grounding. Solar America Board
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[9]. HANEY, Josh; BURSTEIN, Adam. PV System Operations and
Maintenance Fundamentals. 2012. Disponível em:
<www.solarabcs.org>. Acesso em: 19 jun 2016.
[10]. W. I. Bower and J. C. Wiles, “Analysis of grounded and ungrounded
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Energy Convers., Dec. 5–9, 1994, pp. 809–812
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[12]. J. C. Hernandez and P. G. Vidal, “Guidelines for protection against
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Sherwood, M. Albers, and T. Zgonena, “Inverter ground-fault detection
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<https://www.phoenixcontact.com/assets/downloads_ed/global/web_d
wl_promotion/5151226_EN_HQ_Solar_energy_LoRes.pdf>. Acesso
em 28 out. 2016.
DOUGLAS AGUIAR DO NASCIMENTO. Formado em
Engenharia Elétrica (Universidade do Oeste de
Santa Catarina - 2015). Atualmente, candidato M.Sc
pelo Departamento de Comunicações, Faculdade de
Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da
Unicamp. Possui interesses de pesquisa em:
Telecomunicações, Processamento de Sinais,
Sistemas Embarcados e sistemas de potência.
Profissionalmente, atua como Analista de Projetos II
na Fundação de Apoio à Capacitação em Tecnologia
da Informação e desenvolve projetos eletrotécnicos e eletrônicos.
HERMES JOSÉ LOSCHI. Formado em Engenharia de
Controle e Automação (Universidade Paulista -
2014). Atualmente, Mestrando e Doutorando pelo
Departamento de Comunicações da Faculdade de
Engenharia Elétrica e de Computação da
Universidade Estadual de Campinas (Decom-Feec-
Unicamp). Profissional com experiência em
processos de fabricação de motor Diesel, em
particular MTU e Mercedes. Atualmente, um
pesquisador do laboratório de comunicações visuais
(LCV-Decom-Feec-Unicamp). Os principais temas
de interesse são: Redes de Sensores sem Fio, Internet das Coisas, Redes
Inteligentes, Radiodifusão, Biomassa, Aplicação de Sistemas Fotovoltaicos,
Energia Solar e Rastreamento Solar.
YUZO IANO. Possui graduação em Engenharia
Elétrica pela Unicamp (Universidade Estadual de
Campinas -1972), mestrado em Engenharia Elétrica
pela Unicamp (1974) e doutorado em Engenharia
Elétrica pela Unicamp (1986). Atualmente é Professor
Titular MS6 do Decom/Feec/Unicamp (Departamento
de Comunicações da Faculdade de Engenharia
Elétrica e de Computação da Unicamp).
Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com
ênfase em Telecomunicações, Eletrônica e
Tecnologia da Informação, atuando principalmente no
campo das comunicações audiovisuais e de dados. Os principais temas de
interesse são: processamento, e transmissão digital de
sinais/imagens/vídeo/áudio/dados, hdtv, tv digital, redes 3G/4G/5G,
middleware, transmissão/canalização/radiodifusão de sinais de televisão,
reconhecimento de padrões, codificação digital de sinais,
transmissão/armazenamento de dados e cidades inteligentes/digitais.
SILVIO RENATO MESSIAS DE CARVALHO. Obteve
seu diploma em Engenharia Elétrica pela
UNICAMP (1994). Detém mestrado (2007) e grau
de doutor (2013) em Engenharia Elétrica pela
UNICAMP. Área de Atuação: áudio e vídeo para
TV digital, engenharia de transmissão, engenharia
de TV digital, sistemas RF, TV móvel, antenas e
Eficiência Energética.