Otimização do gerenciamento de cabos para garantir a segurança e a eficiência em sistemas PV em escala de serviços públicos

Os sistemas fotovoltaicos (PV) em escala de serviços públicos normalmente geram vários megawatts (MW) de eletricidade e são os principais contribuintes para a energia verde e a sustentabilidade. Cada MW requer cerca de 2.900 painéis solares espalhados por vários acres de terra, um ou mais inversores e controladores, além de equipamentos de conexão à rede. A ligação de todos esses elementos em um sistema fotovoltaico pode exigir quilômetros de cabeamento de energia e monitoramento e dezenas de milhares de componentes de gerenciamento de cabos. Se não forem implementados adequadamente, os componentes do gerenciamento de cabos podem literalmente se tornar o elo fraco, reduzindo a eficiência, limitando a disponibilidade, aumentando os riscos à segurança e elevando os custos operacionais e de instalação.

O projeto de instalações de gerenciamento de cabos seguras e eficientes é complexo. Inclui presilhas de cabos para proteção contra curto-circuito do cabeamento de energia, a ausência de testadores de tensão para proteger o pessoal que faz a manutenção da instalação, abraçadeiras de cabos com clipes de borda para conexões confiáveis de sinalização e monitoramento e conectores de terminal de compressão para energia e aterramento. Além disso, esses componentes devem atender a vários padrões internacionais, como presilhas de cabos que devem aderir à norma IEC 61914:2015 para garantir que possam resistir a uma falha de terra, ausência de testadores de tensão que devem operar conforme exigido pela NFPA (National Fire Protection Association) e pelos padrões de segurança UL e CSA e requisitos gerais para que os componentes de energia solar resistam às condições externas, conforme definido na norma IEC 61215 para instalações fotovoltaicas.

Este artigo analisa os elementos de uma instalação fotovoltaica em escala de serviços públicos, concentrando-se especificamente no grande número de componentes de gerenciamento de cabos necessários, detalha alguns dos padrões de segurança internacionais relacionados e revisa os requisitos para operação em ambientes severos e instalação com custo-benefício. Ao longo da discussão, produtos exemplares da Panduit são destacados.

Importância crescente do balanço de sistema

Nas instalações fotovoltaicas, o balanço do sistema (BOS) inclui tudo que não seja os painéis fotovoltaicos, como racks, cabos, gerenciamento de cabos, inversores e outros dispositivos do sistema, além de mão de obra e software. Com o aprimoramento da tecnologia de painéis fotovoltaicos, os preços dos painéis caíram mais rapidamente do que os preços dos componentes BOS. De acordo com uma análise da Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA), 62% da redução de custo das instalações fotovoltaicas se deveu à queda dos preços dos painéis fotovoltaicos e inversores¹.

A queda nos custos dos painéis fotovoltaicos e dos inversores deu destaque aos componentes BOS. De acordo com a IRENA, o BOS é uma porcentagem crescente do custo das instalações fotovoltaicas, aumentando de 58% em 2007 para 80% em 2017 (Figura 1). Ao mesmo tempo, o aumento do barramento de distribuição para 1 kV_CC ou mais aumentou a importância dos componentes BOS em relação à eficiência e à segurança do sistema. No futuro, os componentes do BOS serão cada vez mais importantes para promover reduções de custos e melhorias operacionais, incluindo aumentos na segurança e na eficiência dos sistemas fotovoltaicos em escala de rede.

Figura 1: A porcentagem do custo instalado representada pelos painéis fotovoltaicos caiu, aumentando a importância do BOS nos sistemas fotovoltaicos. (Fonte da imagem: Panduit)

O gerenciamento de cabos é um aspecto essencial do BOS em sistemas fotovoltaicos em escala de rede. Ele tem impactos significativos sobre a segurança, o custo e a eficiência. As presilhas de cabos são um bom exemplo dos benefícios do gerenciamento otimizado de cabos. Elas fornecem proteção contra curto-circuito para cabos de força. Sem a proteção adequada, as altas correntes experimentadas durante um curto-circuito podem aquecer os condutores, levando à possibilidade de incêndios ou explosões. As correntes de curto-circuito também levam a grandes tensões eletromecânicas no cabeamento de distribuição de energia.

Para máxima segurança, as presilhas de cabos devem atender aos requisitos da norma IEC 61914:2015. A tensão eletromecânica máxima ocorre durante um evento de curto-circuito após cerca de 5 milissegundos (ms). Isso ocorre bem antes dos 60 a 100 ms necessários para que os dispositivos de proteção de circuitos, como os disjuntores, reajam. A norma IEC 61914:2015 especifica uma duração de teste de curto-circuito de 100 ms para presilhas de cabos, às vezes chamadas de grampos de cabos. A Panduit usa software de simulação ao projetar suas presilhas de cabos e, em seguida, submete-as a uma falha de curto-circuito sob energia para confirmar a conformidade com a norma IEC 61914:2015 (Figura 2).

Figura 2: Simulação do software ANSYS das forças eletromagnéticas nos cabos durante os estágios iniciais de um curto-circuito. (Fonte da imagem: Panduit)

A IEC 61914:2015 vai além da proteção contra curto-circuito; ela inclui disposições para:

• Temperatura nominal
• Resistência à propagação de chamas
• Resistência à corrosão
• Teste de carga axial
• Teste de carga lateral
• Resistência ao impacto
• Resistência aos raios UV

As presilhas para cabos Trefoil da Panduit são fabricadas em aço inoxidável 316L, também chamado de aço inoxidável de grau marítimo, com modelos que acomodam cabos com diâmetros de 20 a 69 milímetros (mm). Por exemplo, o modelo CCSSTR6269-X pode lidar com cabos de 62 a 69 mm de diâmetro. Essas presilhas para cabos podem ser instaladas depois de passar o cabo usando um suporte de montagem da Panduit ou antes de passar o cabo, instalando a presilha diretamente no degrau da eletrocalha por meio de um furo de fixação usando um parafuso M8 (Figura 3).

Figura 3: Conforme ilustrado acima, as presilhas de cabo Trefoil da Panduit podem ser instaladas usando um suporte de montagem. (Fonte da imagem: Panduit)

As complexidades das forças eletromecânicas experimentadas durante um curto-circuito e as rigorosas exigências de desempenho da norma IEC 61914:2015 se combinam para tornar a identificação do grampo de cabo necessário um exercício matemático pesado. A Panduit oferece o aplicativo Cable Cleat kAlculator que recomenda soluções de curto-circuito da IEC 61914:2015 de mais de 60 produtos de presilhas de cabos da Panduit para agilizar o processo de seleção. O uso do aplicativo kAlculator reduz a seleção do grampo de cabo a um processo simples de três etapas:

1. Selecione o layout do cabo.
2. Insira o diâmetro do cabo.
3. Insira a corrente de pico de curto-circuito.

O aplicativo fornece recomendações de componentes e espaçamento.

Energia e aterramento

Além dos grampos de cabos para cabos de energia e de aterramento, as instalações fotovoltaicas em escala de serviços públicos exigem conectividade de energia e de terra. Os conectores de cobre com terminal de compressão podem fornecer conectividade eficiente, e a Panduit oferece somente terminais de compressão em cobre que atendem aos requisitos do Network Equipment Building Systems (NEBS) Nível 3, conforme testado pela Telcordia Technologies. O cumprimento do NEBS Nível 3 garante aos usuários que os conectores de compressão Pan-Lug podem oferecer desempenho confiável em aplicações como PV em escala de serviços públicos que exigem interrupções mínimas de serviço durante a vida útil do equipamento.

Os projetistas de instalações fotovoltaicas em escala de serviços públicos podem recorrer aos conectores cilíndricos padrões de dois furos para condutores flexíveis da Panduit, que podem ser usados com condutores flexíveis de cobre, extraflexíveis e conforme o código para fornecer energia eficiente e confiável e conectividade de terra. Por exemplo, o modelo LCDX1/0-14B-X é dimensionado para uso com cabos de bitola AWG (bitola de fio americano) nº 1 e tem dois furos para parafuso de 6,35 milímetros (mm) com espaçamento de 19,05 mm. (Figura 4). Os recursos comuns de todos os conectores de compressão Pan-Lug incluem:

• Listado pela UL e certificado pela CSA para 35 kV e temperatura nominal de até +90°C.
• As extremidades do cilindro chanfradas internamente simplificam a inserção do condutor.
• Janela de inspeção para garantir a inserção completa.
• Corpo de cobre 99,9% puro com revestimento de estanho para inibir a corrosão.

Figura 4: terminais de compressão como esse podem ser usados para conectividade de energia e terra em sistemas fotovoltaicos em escala de serviços públicos. (Fonte da imagem: Panduit)

Clipes e abraçadeiras

Além do cabeamento de energia, as instalações fotovoltaicas em escala de serviços públicos podem incluir quilômetros de fiação para funções de controle e monitoramento. Se não forem especificados e instalados corretamente, os clipes e as abraçadeiras usados para o gerenciamento de cabos podem reduzir a confiabilidade do sistema e aumentar os custos de instalação e operação. Os clipes para cabos de uso geral não foram projetados para exposição prolongada à luz solar e às condições climáticas externas. Se usados em instalações fotovoltaicas, os clipes e abraçadeiras de plástico de uso geral e não resistentes a raios ultravioleta (UV) podem se tornar frágeis e exigir substituição regular. Além disso, a exposição ao sal pode corroer os clipes de metal, danificando as bordas galvanizadas dos painéis fotovoltaicos. Em ambos os casos, os custos de manutenção podem aumentar significativamente e a confiabilidade pode ser prejudicada.

Em vez de usar clipes e abraçadeiras de uso geral, os projetistas de sistemas fotovoltaicos podem recorrer a abraçadeiras com clipes de borda, como o modelo CMSA12-2S-C300 da Panduit, que são fabricadas com náilon 6.6 resistente a intempéries e com estabilização térmica e clipes de metal zincado e testado de acordo com as normas IEC 61215 para instalações fotovoltaicas externas (Figura 5). Os recursos adicionais incluem:

• Classificação de inflamabilidade UL94V-2.
• Dimensionado para operação contínua de -60°C a +115°C.
• Atende aos requisitos de proteção contra incêndio da norma EN45545-2 de acordo com os critérios de classificação R22:HL3 e R23:HL3.
• Expectativa de vida útil de 7 a 9 anos em função da ação dos raios UV.

Figura 5: Essa abraçadeira com clipe de borda tem náilon 6.6 resistente a intempéries e clipes de aço zincado para garantir alta confiabilidade em condições externas adversas. (Imagem: Panduit)

Esses suportes de braçadeira com clipe de borda prendem os maços de fiação sem adesivos ou perfurações. Eles são pré-montados com uma braçadeira de cabo e um clipe que podem ser montados nas bordas do painel com espessuras de 0,7 milímetros (mm) a 3 mm, dependendo do modelo. O clipe de metal proporciona uma fixação segura e pode ser instalado manualmente sem a necessidade de ferramentas.

Eles são projetados para uma instalação rápida. Em comparação com uma cinta plástica tradicional, que pode levar cerca de 21 segundos para ser instalada, esses clipes de borda podem ser instalados em 11 segundos, economizando 10 segundos por clipe. Isso conta. Em uma instalação fotovoltaica típica em escala de serviços públicos com 2.900 painéis fotovoltaicos por MW e três clipes por painel, a economia de mão de obra pode ser de 24,17 horas, ou 47% (50,75 horas para instalar cintas plásticas convencionais contra 26,58 horas para instalar os clipes de borda para cabos de energia solar da Panduit) (Figura 6).

Figura 6: O uso de clipes para cabos de energia solar pode reduzir o tempo de instalação em 47%. (Fonte da imagem: Panduit)

Manutenção fotovoltaica em escala de rede

Ao fazer a manutenção de instalações fotovoltaicas em escala de rede, especialmente ao fazer a manutenção dos cabos de distribuição de energia, um teste de verificação de tensão é exigido pelas normas de segurança para validar a ausência de tensões perigosas. Por exemplo, a norma NFPA-70E da National Fire Protection Association (NFPA) exige que seja verificada a ausência de altas tensões dentro dos gabinetes de equipamentos antes que a equipe de manutenção possa realizar qualquer trabalho dentro do gabinete. O teste de ausência de tensão (AVT) usando instrumentos de teste portáteis é complicado, repleto de possíveis imprecisões e demorado. Os AVTs VeriSafe da Panduit fornecem uma solução automatizada que testa tensões perigosas dentro de um gabinete de equipamento antes de abrir a porta. O uso de uma solução de teste automatizada traz vários benefícios, incluindo:

• A confiabilidade aumenta a segurança e reduz os riscos.
• A simplicidade aumenta a produtividade e garante a conformidade com as normas de segurança.
• A flexibilidade aprimora a implementação.

Os AVTs VeriSafe, como o modelo VS-AVT-C02-L03, consistem em vários elementos, incluindo um módulo de isolação que é montado dentro do gabinete e conecta os cabos redundantes do sensor às áreas de alta tensão, bem como às linhas neutras e de terra. O módulo de isolação se conecta com segurança a um módulo indicador alimentado por bateria que fica visível quando a porta do gabinete está fechada e aos cabos que conectam os dois módulos (Figura 7).

Figura 7: Um sistema AVT consiste em um cabo de sistema (esquerda), um módulo indicador (centro) e um módulo de isolação com cabos de sensor (direita). (Fonte da imagem: Panduit)

Ao iniciar um teste usando um sistema AVT VeriSafe, o botão de teste no módulo indicador é pressionado e o sistema executa um autoteste. Os LEDs vermelhos e as paradas de teste indicam qualquer falha no autoteste. Se o autoteste for aprovado, o módulo de isolação testará as tensões e as falhas de terra. A etapa final é a realização de um segundo autoteste pelo AVT. Somente se o segundo autoteste for aprovado e não houver tensão presente, o AVT indicará que é seguro para a equipe abrir o gabinete e trabalhar no sistema.

Resumo

Os componentes BOS representam uma porcentagem cada vez maior do custo das instalações fotovoltaicas em escala de serviços públicos. O gerenciamento de cabos é um aspecto importante do projeto BOS, e a seleção de grampos de cabos otimizados, terminais de energia e terra e braçadeiras de cabos com clipes de borda pode melhorar significativamente a operação e a segurança dessas instalações. A adição de testes automatizados de ausência de tensão dá suporte às atividades de manutenção contínua, aumentando a segurança e reduzindo os custos operacionais.

Referência:

1. Custos de geração de energia renovável em 2019 (em inglês), Agência Internacional de Energia Renovável