Proteção contra raios em usinas solares: por que a NBR 5419 e a IEC 63227 exigem SPDA específico para sistemas fotovoltaicos

O mercado de energia solar no Brasil cresce a taxas expressivas e, com ele, surge um problema que muitos investidores e integradores subestimam: a vulnerabilidade dos sistemas fotovoltaicos a descargas atmosféricas. Cerca de 26% de todos os danos sofridos por sistemas fotovoltaicos no mundo são causados por raios, sejam descargas diretas ou indiretas. No Brasil, país líder mundial em incidência de descargas atmosféricas, esse percentual tende a ser ainda maior.

Usinas solares reúnem características que potencializam o risco. Elas estão instaladas em áreas abertas, muitas vezes sendo o ponto mais alto do terreno. Além disso, possuem grandes extensões de estruturas metálicas interconectadas, utilizam equipamentos eletrônicos sensíveis, como inversores, string boxes e sistemas de monitoramento, e operam com corrente contínua, que apresenta comportamentos diferentes da corrente alternada durante um surto.

Este post explica o que as normas técnicas exigem, quais os riscos específicos para sistemas fotovoltaicos e como proteger sua usina de forma adequada.

Por que usinas fotovoltaicas são especialmente vulneráveis

Uma usina fotovoltaica típica ocupa uma área de milhares de metros quadrados em terreno aberto. Quando uma descarga atmosférica atinge o solo em um raio de até 2 quilômetros do centro da usina, a energia eletromagnética gerada pode induzir sobretensões significativas nos cabos e estruturas metálicas da instalação.

Os principais riscos são:

• Descarga direta nos módulos ou estruturas: Pode destruir módulos fotovoltaicos, derreter conexões, danificar a estrutura de fixação e causar incêndio. A corrente do raio se distribui pelas partes metálicas e busca o caminho até o solo.

  
  

• Surtos induzidos: Mesmo sem descarga direta, o campo eletromagnético gerado por um raio próximo induz tensões nos condutores da usina. Inversores, string boxes e sistemas de monitoramento são particularmente sensíveis a esses surtos.

  
  

• Tensão de passo e toque: Trabalhadores que estejam na área aberta da usina durante uma tempestade estão expostos a diferenças de potencial perigosas. Este é o risco mais crítico para a segurança humana em usinas fotovoltaicas.

  
  

NBR 5419 e IEC 63227: o que cada norma exige

A proteção contra descargas atmosféricas em usinas fotovoltaicas é regulada por duas normas complementares:

1. ABNT NBR 5419:2015: É a norma brasileira geral de proteção contra descargas atmosféricas. Aplica-se a todas as edificações e estruturas, incluindo usinas fotovoltaicas. Estabelece os requisitos para análise de risco (Parte 2), projeto e instalação do SPDA externo (Parte 3) e medidas de proteção contra surtos nos sistemas elétricos internos (Parte 4).

   
   

2. IEC 63227: É a norma internacional específica para proteção contra descargas atmosféricas em sistemas fotovoltaicos. Complementa a NBR 5419 com requisitos específicos para instalações de solo e de telhado, incluindo orientações sobre posicionamento de captores sem sombreamento dos módulos, proteção de circuitos de corrente contínua e coordenação de DPS em ambos os lados do inversor.

   
   

A combinação das duas normas oferece um arcabouço técnico completo para projetar e manter a proteção de uma usina fotovoltaica.

Subsistema de captação sem sombrear módulos

Um dos desafios específicos do SPDA em usinas fotovoltaicas é posicionar os captores (hastes ou cabos de captação) de forma que protejam os módulos sem causar sombreamento. A sombra projetada por uma haste de para-raios sobre os módulos reduz a geração de energia e pode causar pontos quentes (hot spots) que danificam as células fotovoltaicas ao longo do tempo.

A IEC 63227 sugere calcular a distância mínima entre o captor e o módulo fotovoltaico considerando a altura da haste, a latitude do local e o ângulo solar crítico. O projeto deve garantir que, nos horários de maior irradiância (tipicamente entre 9h e 15h), nenhuma sombra do sistema de captação atinja os módulos.

Na prática, isso pode exigir hastes mais altas e posicionadas nas extremidades da usina ou o uso de cabos de captação horizontais com altura calculada para proteger sem sombrear.

Proteção de inversores e string boxes com DPS para corrente contínua

Os inversores são os equipamentos mais caros e sensíveis de uma usina fotovoltaica. A substituição de um único inversor central pode custar dezenas de milhares de reais, além do tempo de parada, que representa perda direta de geração e receita.

A proteção contra surtos em usinas fotovoltaicas exige DPS específicos para corrente contínua (CC), diferentes dos DPS convencionais projetados para corrente alternada (CA). Os DPS CC devem ser instalados:

• Nas string boxes, protegendo os circuitos vindos diretamente dos módulos.

• Na entrada CC do inversor.

• Na saída CA do inversor.

• No quadro de distribuição geral da usina.

  
  

A coordenação entre os DPS dos lados CC e CA do inversor é fundamental. Um surto que ultrapasse o DPS CC pode danificar o inversor pela entrada; um surto que ultrapasse o DPS CA pode danificá-lo pela saída. A análise de risco, conforme a NBR 5419, Parte 2, determina as classes de DPS necessárias em cada ponto.

Sistema de alerta de tempestades: protegendo vidas

A NBR 16785:2019, complementar à NBR 5419, estabelece requisitos para sistemas de alerta de tempestades elétricas. Em usinas fotovoltaicas, onde trabalhadores realizam manutenção em áreas abertas, esse sistema é essencial para proteger vidas.

O SPDA, por melhor que seja, protege estruturas e equipamentos, mas não protege pessoas em áreas abertas. A proteção de trabalhadores depende de detecção antecipada de tempestades e evacuação para locais abrigados antes que as descargas atmosféricas atinjam a região.

Sistemas de detecção de raios baseados em sensores de campo eletrostático e redes de localização de descargas podem emitir alertas com antecedência de 15 a 30 minutos, tempo suficiente para que os trabalhadores se desloquem para abrigos seguros.

Caso real: usina em Goiás

Mini-case - Usina fotovoltaica de solo, 1 MW, região de Jataí-GO

Uma usina fotovoltaica de 1 MW instalada em área rural perdeu 2 inversores string e 14 módulos fotovoltaicos após uma tempestade severa. O prejuízo total entre equipamentos e perda de geração durante o reparo ultrapassou R$ 220 mil.

A perícia identificou que a usina não possuía SPDA instalado e que os DPS existentes nas string boxes eram do tipo CA, inadequados para proteção de circuitos de corrente contínua. O aterramento das estruturas metálicas de fixação dos módulos estava desconectado em vários pontos.

Solução aplicada

Foi realizado um projeto completo de SPDA conforme NBR 5419 e IEC 63227, incluindo hastes de captação posicionadas nas extremidades sem sombreamento, condutores de descida conectados à malha de aterramento perimetral, DPS CC Classe II em todas as string boxes e na entrada dos inversores, DPS CA na saída dos inversores e no QGBT, e reconexão e ampliação da malha de aterramento das estruturas.

Investir em proteção custa menos que reparar danos

O custo de um projeto e instalação de SPDA para uma usina de 1 MW representa, tipicamente, entre 1% e 3% do investimento total da usina. Comparado ao risco de perda de inversores, módulos e receita de geração, a proteção contra descargas atmosféricas é um dos investimentos com melhor retorno em uma usina fotovoltaica.

Além da proteção física, o SPDA com laudo técnico e ART é frequentemente exigido por financiadores, seguradoras e distribuidoras de energia como condição para contratação de seguro, aprovação de financiamento e conexão à rede.

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Leia também os posts anteriores da Série SPDA:

• Post 1 - Aterramento e SPDA: por que medir a resistência do solo é o primeiro passo

• Post 2 - DPS: o dispositivo que salva seus equipamentos dos raios

• Post 3 - AVCB negado por falta de laudo SPDA: como regularizar seu prédio

  
  

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