DC SPD para sistemas solares: Aplicativos Tipo 1 vs. Tipo 2 2025

dc spd para sistemas solares fotovoltaicos contra transientes de tensão destrutivos causados por descargas atmosféricas, eventos de comutação e distúrbios na rede. Para selecionar os tipos de SPD e os locais de instalação adequados, é necessário entender as diferenças essenciais entre os dispositivos Tipo 1 e Tipo 2 e como eles se coordenam para oferecer proteção abrangente ao sistema. Este guia detalhado abrange tudo o que os projetistas e instaladores de energia solar precisam saber sobre a implementação de uma proteção DC SPD eficaz.

Os raios representam a ameaça mais grave às instalações de energia solar, com descargas diretas que fornecem milhões de volts e milhares de ampères, capazes de destruir instantaneamente inversores, módulos e outros equipamentos. Mesmo as descargas próximas criam surtos induzidos prejudiciais por meio do acoplamento eletromagnético com os condutores do arranjo fotovoltaico que atuam como antenas para energia transitória.

Entendendo os fundamentos do dc spd para energia solar

O que os DC SPDs protegem contra

Os sistemas solares fotovoltaicos enfrentam várias fontes de ameaça de surto que exigem proteção. Os raios diretos que atingem as matrizes ou as estruturas próximas injetam enorme energia nos sistemas elétricos, enquanto os raios indiretos a centenas de metros de distância induzem tensões prejudiciais por meio de campos eletromagnéticos que se acoplam aos condutores. Os transientes de comutação das operações da rede de serviços públicos criam picos de tensão de menor energia, mas frequentes, que degradam cumulativamente o equipamento ao longo do tempo.

A posição elevada das matrizes no telhado as torna particularmente vulneráveis à exposição a raios. As matrizes em edifícios altos ou em áreas abertas têm maior probabilidade de serem atingidas do que os equipamentos elétricos no nível do solo. Os condutores CC longos entre as matrizes e os inversores atuam como antenas de coleta tanto para a energia de descargas diretas quanto para os transientes induzidos eletromagneticamente de descargas próximas.

A proteção contra surtos de CC é diferente da proteção de CA devido às características exclusivas dos sistemas de corrente contínua. Os arcos CC não se extinguem naturalmente em cruzamentos de corrente zero como os arcos CA, exigindo SPDs com recursos aprimorados de interrupção de corrente de seguimento. As tensões CC mais altas nos sistemas solares modernos - comumente de 600 V a 1500 V - exigem SPDs classificados para esses níveis extremos de tensão raramente encontrados em sistemas CA.

Como funciona a proteção SPD

Os SPDs protegem o equipamento limitando a tensão que atinge os dispositivos protegidos durante eventos de surto. Em condições normais, os SPDs apresentam impedância extremamente alta, oferecendo carga mínima nos circuitos. Quando as tensões de surto excedem a tensão limite do SPD, o dispositivo passa para baixa impedância, desviando a corrente de surto com segurança para o terra antes de atingir o equipamento protegido.

O principal parâmetro de desempenho do SPD é a tensão de fixação - a tensão máxima que aparece nos terminais do equipamento protegido durante os eventos de surto. As tensões de fixação mais baixas proporcionam melhor proteção, mas exigem SPDs com tolerâncias mais rígidas e elementos de proteção mais sofisticados. A tensão de fixação deve permanecer abaixo dos níveis de isolamento do equipamento e, ao mesmo tempo, deve ser alta o suficiente acima da tensão operacional normal para evitar ativação falsa.

Os varistores de óxido metálico (MOVs) formam a base da maioria dos SPDs de CC solar, usando resistência dependente da tensão que diminui drasticamente durante os surtos. Os diodos de avalanche de silício oferecem uma resposta mais rápida do que os MOVs e uma fixação de tensão mais rígida, mas lidam com menos energia por dispositivo. Os tubos de descarga de gás (GDTs) oferecem o mais alto manuseio de corrente, mas uma resposta mais lenta, geralmente usada em projetos de SPD híbridos que fornecem vários estágios de proteção.

Principais percepções: A proteção SPD não é um único dispositivo que interrompe todos os surtos - a proteção solar eficaz usa instalações coordenadas de SPDs em vários locais, criando uma defesa em profundidade. Cada SPD lida com surtos apropriados à sua localização, com dispositivos upstream gerenciando ameaças de alta energia e dispositivos downstream fornecendo proteção fina.

Classificações de DPS Tipo 1 vs. Tipo 2

Sistema de classificação IEC 61643-31

A norma IEC 61643-31 estabelece classificações padronizadas de SPD para sistemas fotovoltaicos, definindo os dispositivos Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 3 com base em suas capacidades testadas de manuseio de corrente e locais de instalação pretendidos. Esse sistema de classificação ajuda os projetistas a selecionar SPDs apropriados para diferentes posições nas instalações solares.

Os SPDs tipo 1 são submetidos a testes com formas de onda de corrente de 10/350μs que simulam pulsos diretos de corrente de raios. Esses dispositivos devem lidar com correntes de teste de conteúdo de energia extremamente alto, normalmente de 25kA a 100kA por condutor. A designação Tipo 1 indica que o SPD pode suportar a energia direta do raio, o que torna esses dispositivos adequados para instalação em entradas de serviço e pontos de origem de matriz onde a energia direta do raio pode aparecer.

Os SPDs Tipo 2 são testados com formas de onda de 8/20μs que representam correntes de surto induzidas por raios indiretos ou transientes de comutação. As correntes de teste variam de 10kA a 40kA - substancialmente menores que as do Tipo 1, mas adequadas para proteção contra surtos que já passaram por elementos de proteção a montante. Os dispositivos do Tipo 2 são instalados em locais de equipamentos que fornecem o estágio final de proteção antes dos inversores e de outros componentes eletrônicos sensíveis.

Critérios de seleção baseados em aplicativos

Selecione os tipos de SPD com base no local da instalação e nos níveis de ameaça esperados, em vez de simplesmente escolher os dispositivos com a classificação mais alta. Os SPDs do Tipo 1 custam significativamente mais do que os dispositivos do Tipo 2 e podem não ser necessários em todos os pontos de instalação. A compreensão dos níveis de ameaça em diferentes locais do sistema permite otimizar a proteção, equilibrando custo e eficácia.

Os combinadores principais de CC nas origens da matriz normalmente exigem SPDs Tipo 1 quando as matrizes são montadas em locais expostos e vulneráveis a impactos diretos. Esses pontos representam o primeiro estágio de proteção em que a energia máxima de surto aparece antes de qualquer atenuação dos condutores ou de outros equipamentos. Os dispositivos do Tipo 1 nas origens do arranjo protegem a fiação e os equipamentos a jusante da energia catastrófica de impacto direto.

As entradas CC do inversor geralmente usam SPDs Tipo 2 que fornecem o estágio final de proteção para eletrônicos sensíveis. No momento em que a energia de surto chega aos inversores, a impedância do condutor a montante e os SPDs Tipo 1 reduziram os níveis de ameaça para faixas em que os dispositivos Tipo 2 oferecem proteção adequada. A instalação de dispositivos Tipo 1 em todos os locais desperdiça dinheiro sem melhorar a eficácia da proteção.

⚠️ Importante: A simples instalação de mais SPDs não garante uma proteção melhor - a seleção ou o posicionamento inadequado do SPD pode, na verdade, piorar a proteção criando loops de terra, introduzindo ruído ou causando falhas de coordenação de proteção. Siga abordagens sistemáticas de projeto que equilibrem a avaliação de ameaças, a capacidade do SPD e a economia da instalação.

Aplicativos de DPS tipo 1

Combinador de matrizes e caixas de cordas

Os combinadores de matrizes representam pontos críticos de instalação do SPD Tipo 1, situados na interseção entre matrizes fotovoltaicas expostas e sistemas elétricos prediais. Os combinadores reúnem vários circuitos de string em gabinetes únicos, muitas vezes montados ao ar livre em locais expostos, o que os torna vulneráveis tanto à fixação direta de raios quanto a surtos induzidos por descargas próximas.

Instale SPDs Tipo 1 em combinadores de matriz usando configurações de três polos (positivo, negativo, terra) para sistemas fotovoltaicos não aterrados ou dois polos (positivo, terra) para sistemas negativos solidamente aterrados. Cada poste requer uma classificação de corrente adequada com base na avaliação da exposição a raios - mínimo de 25kA por poste para locais de exposição moderada, 50kA ou mais para áreas com alta atividade de raios.

Coordene a instalação do SPD com a proteção contra sobrecorrente, garantindo que os fusíveis ou disjuntores protejam os circuitos do SPD sem interferir na operação normal do SPD durante os surtos. A proteção contra curto-circuito, de acordo com os requisitos da NEC 690.35, normalmente usa fusíveis ou disjuntores de 15 a 20A para os circuitos do SPD. Alguns SPDs integram seccionadores térmicos que separam dispositivos com falha sem proteção externa contra sobrecorrente.

O local de montagem física afeta significativamente a eficácia do SPD. Monte os SPDs com os menores comprimentos de cabo possíveis em relação ao equipamento que está sendo protegido - fios longos entre os SPDs e o equipamento introduzem indutância que degrada a proteção ao permitir o excesso de tensão durante surtos de aumento rápido. Idealmente, os terminais do SPD devem se conectar diretamente aos terminais do equipamento protegido sem condutores intermediários.

Locais da desconexão CC principal

As principais desconexões CC que controlam todas as saídas da matriz fornecem outro local apropriado para o SPD Tipo 1. Esses pontos normalmente ficam entre os combinadores da matriz e as salas de equipamentos do inversor, representando o ponto de entrada do edifício onde a NEC 690.35 exige especificamente a proteção contra surtos quando os condutores do circuito excedem determinados comprimentos.

Os SPDs do tipo 1 nas desconexões principais fornecem proteção redundante, complementando os SPDs do combinador do array, criando uma defesa em profundidade. Os dois estágios compartilham a energia dos raios, com os SPDs da matriz lidando com a maior parte da energia e os SPDs da desconexão principal fornecendo proteção de backup e proteção contra surtos que entram pelo circuito CC a partir do inversor ou das direções do sistema CA.

Em instalações residenciais com condutores curtos, o local de desconexão principal pode representar o único ponto de instalação do SPD Tipo 1, servindo como proteção da matriz e da entrada do edifício. A proteção de ponto único se mostra adequada quando os comprimentos dos condutores permanecem curtos e a exposição a raios é moderada. Locais de alta exposição ou sistemas com longos trechos de condutores se beneficiam de várias instalações de SPDs Tipo 1.

As instalações do SPD de desconexão principal devem levar em conta as tensões operacionais contínuas mais altas nesse local em comparação com as localizações de strings ou combinadores. Várias strings em paralelo reduzem a ondulação de tensão nas saídas do combinador, mas a desconexão principal vê a tensão de ponto de potência máxima do conjunto completo. Selecione SPDs com classificações de tensão operacional contínua máxima (MCOV) que excedam a tensão MPP do sistema para evitar a degradação prematura do SPD.

Proteção de matrizes montadas no solo

As matrizes montadas no solo em campos abertos enfrentam extrema exposição a raios, principalmente em regiões com alta frequência de tempestades. Essas instalações se beneficiam dos SPDs Tipo 1 nos combinadores de fileiras de matrizes, além da proteção adicional no ponto de coleta da matriz principal. A abordagem de proteção distribuída limita a concentração de energia em um único SPD, melhorando a capacidade de sobrevivência geral do sistema.

Considere terminais aéreos para raios (para-raios tradicionais) em locais de arranjos terrestres, especialmente para arranjos que se estendem acima do terreno circundante. Os sistemas de terminais aéreos adequadamente projetados com aterramento direto interceptam algumas descargas atmosféricas antes que elas se conectem ao equipamento fotovoltaico. Entretanto, os terminais aéreos protegem somente por meio da interceptação direta - eles não eliminam os surtos induzidos de descargas próximas que exigem proteção SPD.

O roteamento dos condutores afeta a vulnerabilidade a surtos em matrizes de aterramento. Direcione os condutores CC em conduítes metálicos ligados ao sistema de aterramento da matriz, criando uma blindagem que reduz os surtos induzidos eletromagneticamente. Quando o conduíte não for viável, agrupe os condutores positivos e negativos, minimizando a área de loop que se acopla aos campos eletromagnéticos. Grandes loops de condutores atuam como antenas receptoras de energia de surto.

Aplicativos de DPS tipo 2

Proteção da entrada CC do inversor

As entradas CC do inversor representam o ponto de aplicação mais crítico do SPD Tipo 2. Os componentes eletrônicos do inversor - especialmente os circuitos de rastreamento do ponto de potência máxima e os conversores CC-CC - apresentam semicondutores de baixa tensão extremamente sensíveis a danos por sobretensão. Os SPDs Tipo 2 nas entradas do inversor fornecem o estágio de proteção final que protege esses componentes vulneráveis.

Monte os SPDs Tipo 2 diretamente nos terminais CC do inversor, e não remotamente em caixas de junção ou combinadores que alimentam os inversores. O objetivo é fixar a tensão diretamente no equipamento que está sendo protegido, evitando que qualquer comprimento de condutor entre o SPD e o inversor introduza um aumento indutivo de tensão durante correntes de surto rápidas. Muitos inversores modernos incorporam SPDs integrados, eliminando os requisitos de montagem de SPDs externos.

Selecione cuidadosamente as classificações de tensão do SPD Tipo 2 - os inversores operam em tensões CC variáveis, desde a tensão MPPT mínima até a tensão de circuito aberto, dependendo das condições. A tensão máxima de operação contínua (MCOV) do SPD deve exceder a tensão máxima de entrada do inversor em todas as condições e, ao mesmo tempo, fornecer uma tensão de fixação baixa o suficiente para proteger o circuito do inversor. Esse equilíbrio exige uma especificação cuidadosa que leve em conta o VOC máximo corrigido pela temperatura.

Vários inversores em grandes instalações requerem proteção individual do SPD Tipo 2. Proteger os inversores coletivamente com um único SPD na desconexão principal de CC não oferece a proteção adequada, pois o condutor que vai desse ponto até os inversores individuais introduz um aumento de tensão que anula a eficácia do SPD. Faça um orçamento para SPDs Tipo 2 em cada inversor como componentes essenciais de proteção.

Dica profissional: Verifique os requisitos de garantia do inversor com relação à proteção contra surtos - muitos fabricantes anulam as garantias se ocorrerem danos e for encontrada uma proteção inadequada do SPD. Documente as instalações do SPD com fotos e especificações, mantendo a prova da proteção adequada durante os períodos de garantia.

Proteção secundária da caixa combinadora

Embora os combinadores de matriz normalmente recebam SPDs do Tipo 1 como proteção primária, os dispositivos suplementares do Tipo 2 podem oferecer uma margem de segurança adicional em instalações de alta exposição. Os SPDs Tipo 2 nas saídas do combinador protegem contra surtos que excedem os recursos do SPD Tipo 1 ou entram por caminhos inesperados. Essa proteção redundante custa relativamente pouco e melhora significativamente a confiabilidade do sistema.

A combinação Tipo 1/Tipo 2 em combinadores requer coordenação adequada para garantir que os dispositivos não lutem entre si durante eventos de surto. Mantenha pelo menos 10 a 15 metros de condutor entre os SPDs Tipo 1 e Tipo 2, permitindo impedância suficiente para a coordenação, ou use SPDs projetados especificamente para a operação coordenada em estreita proximidade. A coordenação inadequada causa falha prematura do SPD e reduz a eficácia da proteção.

As instalações do combinador que alimentam vários inversores se beneficiam dos SPDs Tipo 2 na saída do combinador e dos SPDs Tipo 2 adicionais em cada entrada do inversor. A proteção em nível de combinador protege os circuitos de derivação, enquanto a proteção em nível de inversor oferece defesa localizada. Essa abordagem de vários estágios reflete as práticas recomendadas em sistemas comerciais de distribuição de CA, em que os SPDs aparecem em vários níveis de proteção.

Circuitos de monitoramento e comunicação

Os sistemas de monitoramento, as estações meteorológicas e os equipamentos de comunicação conectados aos sistemas fotovoltaicos precisam de proteção contra surtos que corresponda à sensibilidade dos eletrônicos modernos. Os SPDs do tipo 2 projetados para circuitos de dados de baixa tensão protegem esses componentes vulneráveis contra o acoplamento de surtos por meio de cabos de monitoramento. Os circuitos Ethernet, RS-485 e de sensores analógicos exigem proteção adequada contra surtos.

Os SPDs de circuito de comunicação são instalados na interface entre os sensores/equipamentos externos e os sistemas de monitoramento interno. Os cabos que passam entre as matrizes e as salas de monitoramento funcionam como antenas que coletam a energia de surto que entra nos componentes eletrônicos de monitoramento, destruindo placas de rede, sistemas de aquisição de dados e computadores. Até mesmo pequenos surtos de energia que não danificariam os equipamentos fotovoltaicos podem destruir eletrônicos de comunicação sensíveis.

Coordene o aterramento do SPD com as práticas de aterramento do equipamento. Todos os SPDs em um determinado local devem fazer referência ao mesmo ponto de aterramento, evitando que as diferenças de potencial de aterramento criem um fluxo de corrente de surto através do equipamento protegido. Quando o equipamento remoto usar eletrodos de aterramento locais, instale SPDs de circuito de comunicação em ambas as extremidades dos cabos, equalizando as diferenças de potencial do fluxo de corrente de raios através do terra.

Requisitos de instalação do SPD

Conexões de aterramento adequadas

A operação eficaz do SPD depende inteiramente do aterramento adequado - os SPDs desviam a corrente de surto para o aterramento, tornando as conexões de aterramento de baixa impedância essenciais para o desempenho da proteção. Conecte todos os terminais de aterramento do SPD diretamente ao eletrodo de aterramento do sistema principal usando os condutores mais curtos possíveis. Fios de aterramento longos, enrolados ou com circuitos introduzem impedância que degrada a proteção ao permitir o aumento da tensão durante eventos de surto.

A NEC 690.35 exige que os condutores de aterramento do SPD sejam dimensionados de acordo com a NEC 250.166, normalmente um mínimo de cobre de 14 AWG para SPDs do Tipo 2 e um mínimo de 6 AWG para dispositivos do Tipo 1. No entanto, o cumprimento do código mínimo não garante o desempenho ideal - considere 10 AWG para instalações do Tipo 2 e 4 AWG para instalações do Tipo 1 em locais de alta exposição. O custo um pouco mais alto vale a pena para melhorar o manuseio da corrente de surto.

Ligue os aterramentos do SPD ao mesmo sistema de eletrodos usado para o aterramento do equipamento fotovoltaico. Vários aterramentos separados em locais diferentes criam diferenças de aumento do potencial de aterramento durante eventos de surto, fazendo com que a corrente de surto flua pelo equipamento entre os pontos de aterramento. Um único sistema de aterramento comum garante que todos os equipamentos e SPDs façam referência ao mesmo potencial elétrico, eliminando as correntes de surto entre equipamentos.

Evite curvas acentuadas nos condutores de aterramento do SPD - as curvas introduzem impedância indutiva que aumenta a queda de tensão durante as correntes de surto de crescimento rápido. Faça curvas suaves quando o roteamento exigir mudanças de direção. Algumas instalações se beneficiam do uso de fita de cobre plana em vez de fio para aterramento de SPD, pois a fita apresenta indutância menor do que o fio redondo de seção transversal equivalente.

⚠️ Importante: A impedância de aterramento é mais importante do que a resistência de aterramento para o desempenho do DPS. Um eletrodo de aterramento com resistência de 25Ω, mas com condutores curtos e retos, proporciona melhor desempenho do DPS do que um eletrodo de resistência de 5Ω alcançado por meio de 10 metros de fio enrolado.

Minimização do comprimento do cabo

O comprimento do cabo entre os SPDs e o equipamento protegido afeta de forma crítica o desempenho da proteção. Cada metro de condutor introduz aproximadamente 1μH de indutância, causando um aumento de tensão de aproximadamente 1kV por metro durante a corrente de surto di/dt de 1kA/μs - tempos típicos de aumento de surto de raios. Esse aumento de tensão é adicionado à tensão de fixação do SPD, degradando a proteção ou até mesmo permitindo que a tensão seja suficiente para danificar o equipamento protegido, apesar da operação do SPD.

Instale os SPDs a até 0,5 metro dos terminais de equipamentos protegidos sempre que possível. Isso pode exigir a montagem de SPDs dentro de gabinetes de equipamentos ou em caixas de junção imediatamente adjacentes, em vez de locais remotos montados na parede. O inconveniente da montagem próxima vale a pena para aumentar significativamente a eficácia da proteção.

Quando a separação entre os SPDs e o equipamento não puder ser evitada, use roteamento de par trançado para os condutores positivos e negativos dos SPDs, minimizando a área de loop magnético. A torção dos condutores reduz a indutância ao garantir que os caminhos de corrente de avanço e retorno ocupem praticamente o mesmo espaço, fazendo com que seus campos magnéticos sejam amplamente cancelados. Condutores paralelos separados até mesmo por pequenas distâncias criam áreas de loop maiores com indutância proporcionalmente mais alta.

Alguns fabricantes de SPDs fornecem terminais de conexão de baixa indutância projetados para barramento de cobre plano ou conexões de cinta em vez do fio tradicional. Esses sistemas minimizam a indutância parasita, permitindo a montagem do SPD um pouco mais longe do equipamento protegido sem aumento excessivo de tensão. Considere esses projetos premium para instalações críticas em que a montagem próxima do SPD é difícil.

Recursos de desconexão e indicação

Os SPDs eventualmente falham devido à exposição acumulada à energia de surto ou ao envelhecimento dos componentes, exigindo substituição. Os SPDs de qualidade incorporam uma indicação visual que mostra o status operacional - normalmente LEDs ou indicadores verdes que mostram a integridade do SPD e indicadores vermelhos que mostram a falha do SPD que exige substituição. Verifique os indicadores durante a manutenção de rotina, identificando os SPDs com falha antes que ocorram danos ao equipamento.

Os recursos de desconexão térmica isolam automaticamente os SPDs com falha, evitando riscos de incêndio decorrentes de falhas nos componentes do SPD. Às vezes, os MOVs com falha entram em curto-circuito em vez de falharem abertos, consumindo corrente excessiva que pode causar incêndios no compartimento. Os seccionadores térmicos detectam temperaturas elevadas e separam mecanicamente os elementos do SPD com falha antes da ignição por fogo. A NEC 690.35(B) exige recursos de desconexão nos SPDs em sistemas fotovoltaicos.

Instale proteção externa contra sobrecorrente para SPDs quando os seccionadores térmicos não estiverem integrados no dispositivo. Os fusíveis normalmente de 15 a 20A protegem os circuitos do SPD sem interferir no manuseio da corrente de surto. A classificação do fusível deve exceder a corrente de impulso máxima que os SPDs passam durante o teste de coordenação, mas fornecer proteção confiável contra curto-circuito se os SPDs falharem. Algumas jurisdições exigem meios de desconexão com capacidade de bloqueio/etiquetagem para circuitos SPD, permitindo a substituição segura.

Os recursos de monitoramento remoto são valiosos em instalações solares grandes ou remotas, onde visitas frequentes ao local não são práticas. Os SPDs avançados com conectividade de rede informam seu status operacional aos sistemas de gerenciamento ou monitoramento do edifício, gerando alertas quando ocorrem falhas. Esse recurso garante a rápida substituição do SPD, mantendo a proteção contínua em vez de descobrir falhas durante a próxima visita de manutenção programada.

Conformidade com o NEC 690.35

Requisitos obrigatórios de instalação do SPD

O NEC 690.35(A) exige dispositivos de proteção contra surtos para circuitos CC de sistemas solares fotovoltaicos quando os condutores do circuito excederem distâncias específicas do equipamento que está sendo protegido. O código tem como objetivo reduzir os danos causados por surtos induzidos por raios, exigindo proteção quando os condutores criam um potencial significativo de coleta de surtos. O entendimento desses requisitos garante instalações em conformidade, evitando falhas na inspeção.

Os sistemas com condutores de circuito CC localizados a mais de 2 metros (6,6 pés) do arranjo fotovoltaico devem ter proteção SPD de acordo com a NEC 2020. Essa distância relativamente curta significa que praticamente todas as instalações solares, exceto os sistemas de microinversores, exigem SPDs de CC - mesmo os conjuntos residenciais com inversores imediatamente abaixo do ponto de montagem do conjunto geralmente excedem 2 metros devido aos caminhos de roteamento dos conduítes.

O SPD deve ser instalado no primeiro local de fácil acesso do circuito CC. Em muitas instalações, isso significa combinadores de matriz ou desconexões principais de CC nas entradas do prédio. Alguns sistemas instalam SPDs nas entradas do inversor quando isso representa o primeiro local acessível, embora a prática recomendada geralmente inclua SPDs adicionais nos locais da matriz, fornecendo vários estágios de proteção.

Requisitos do Tipo 1 vs. Tipo 2

O NEC não especifica explicitamente os requisitos do SPD Tipo 1 versus Tipo 2, mas faz referência aos padrões apropriados, incluindo UL 1449 e IEC 61643-31. Entretanto, o item 690.35(D) exige classificações específicas de corrente de surto com base no local da instalação e nas ameaças esperadas. De fato, os locais sujeitos à incidência direta de raios precisam de recursos do Tipo 1, enquanto os locais de equipamentos podem usar dispositivos do Tipo 2.

O código exige classificações de SPD apropriadas para o local e a aplicação, mas deixa classificações específicas para o julgamento dos projetistas com base na análise de engenharia. Essa flexibilidade permite o projeto de proteção específico do local, mas também coloca a responsabilidade nos projetistas para avaliar adequadamente as ameaças e especificar as classificações SPD adequadas. A subproteção decorrente de classificações inadequadas de SPD não será detectada pela inspeção até que ocorram danos ao equipamento.

As interpretações da Authority Having Jurisdiction (AHJ) variam com relação às classificações específicas de SPD exigidas para conformidade com o código. Algumas jurisdições exigem SPDs do Tipo 1 em todos os lugares, enquanto outras aceitam aplicações do Tipo 2 adequadamente projetadas em locais de equipamentos. Discuta a abordagem do projeto do SPD com os inspetores elétricos locais no início do processo de projeto, evitando pedidos de alteração dispendiosos ou atrasos na instalação devido a requisitos inesperados.

Requisitos de listagem e rotulagem

A NEC 690.35(C) exige que os SPDs sejam listados para a aplicação - normalmente a listagem UL 1449 para SPDs gerais ou produtos avaliados de acordo com a IEC 61643-31 para dispositivos específicos de energia solar. O requisito de listagem garante que os SPDs sejam submetidos a testes de terceiros para verificar as declarações de desempenho e as características de segurança. Os supressores de surto fabricados em campo ou os dispositivos não listados não atendem aos requisitos do código, independentemente de sua adequação teórica.

A rotulagem adequada deve identificar as classificações do SPD, incluindo a tensão operacional contínua máxima (MCOV), a classificação de proteção de tensão (VPR) ou tensão de fixação e a classificação de corrente de descarga nominal (In) ou corrente de descarga máxima (Imax). As etiquetas devem permanecer permanentemente afixadas e legíveis durante toda a vida útil do SPD. Algumas jurisdições exigem etiquetas personalizadas adicionais que identifiquem os SPDs como parte da proteção contra surtos do sistema fotovoltaico.

A proteção de sobrecorrente do circuito SPD deve ser claramente identificada de acordo com o item 690.35(B)(2). Quando fusíveis ou disjuntores externos protegerem os circuitos do SPD, rotule esses dispositivos de proteção identificando sua função e as classificações de substituição adequadas. Isso evita a substituição acidental com classificações incorretas de dispositivos de sobrecorrente que podem deixar de proteger os SPDs ou interferir na coordenação adequada de surtos.

Níveis de coordenação e proteção de SPD

Projeto de proteção em vários estágios

A proteção abrangente do sistema solar emprega vários estágios de SPD, criando uma defesa em profundidade. A proteção primária normalmente consiste em SPDs Tipo 1 nas origens da matriz que lidam com correntes de ataque direto de alta energia. A proteção secundária usa SPDs Tipo 2 nos locais dos equipamentos, fornecendo tensão de fixação fina para eletrônicos sensíveis. Cada estágio lida com surtos apropriados à sua localização, com conteúdo de energia progressivamente atenuado ao longo dos estágios.

A coordenação adequada entre os estágios requer uma separação adequada da impedância do condutor ou projetos de SPD deliberadamente coordenados. Quando os SPDs Tipo 1 e Tipo 2 são instalados muito próximos uns dos outros, a baixa impedância do condutor entre eles pode fazer com que o dispositivo Tipo 2 de tensão mais baixa se prenda primeiro, forçando-o a lidar com energia além de sua classificação, causando falha prematura. Mantenha pelo menos 10 a 15 metros de condutor entre os estágios ou use SPDs projetados especificamente para coordenação de proximidade.

Alguns fabricantes oferecem sistemas SPD coordenados, nos quais os dispositivos Tipo 1 e Tipo 2 são projetados especificamente para trabalharem juntos, mesmo próximos uns dos outros. Esses sistemas usam SPDs com tensões de fixação e características de limitação de corrente cuidadosamente selecionadas, garantindo que o dispositivo Tipo 1 seja ativado primeiro e controle a maior parte da energia de surto. Considere esses sistemas premium quando o layout do prédio dificultar a separação dos estágios.

A progressão do manuseio de energia passa de dispositivos Tipo 1 com capacidade de alta energia para dispositivos Tipo 2 com menor energia, mas com fixação mais rígida. Os SPDs do Tipo 1 se fixam em tensões relativamente mais altas - 800 V a 1.500 V são típicos -, o que lhes permite lidar com energia maciça sem danos. Os SPDs do Tipo 2 se fixam em tensões mais baixas - 500 V a 1000 V - proporcionando melhor proteção ao equipamento depois que os dispositivos do Tipo 1 reduzem a energia de surto a níveis gerenciáveis.

Considerações sobre proteção de backup

A falha do SPD durante eventos de surto pode deixar o equipamento vulnerável, a menos que haja proteção de backup. Instalações redundantes de SPDs em locais críticos - especialmente inversores caros ou sistemas de monitoramento complexos - oferecem proteção contínua se os SPDs primários falharem. O custo relativamente baixo de SPDs Tipo 2 adicionais nos locais dos equipamentos geralmente vale a pena em comparação com os custos de substituição de equipamentos após a exposição desprotegida a surtos.

A proteção de sobrecorrente para circuitos SPD fornece proteção de backup ao isolar SPDs com falha. Quando os SPDs falham em um curto-circuito, o dispositivo de sobrecorrente opera removendo o dispositivo com falha. No entanto, esse backup chega tarde demais para proteger contra o surto que causa a falha do SPD - o equipamento pode já estar danificado. A proteção contra sobrecorrente evita riscos de incêndio e falhas contínuas, mas não substitui a proteção inicial do SPD com classificação adequada.

Considere elementos de proteção suplementar, como fusíveis com classificação de surto em circuitos de string, que fornecem proteção adicional especificamente para módulos fotovoltaicos. Os fusíveis gPV padrão protegem contra condições de sobrecorrente, mas as variantes com classificação de sobretensão também fornecem proteção limitada contra sobretensão, protegendo os módulos contra surtos de modo comum. Essa proteção suplementar complementa a proteção SPD em vez de substituí-la.

Erros comuns de instalação e violações de código

Uso de SPDs com classificação AC em aplicações DC

Problema: Instalar SPDs classificados apenas para serviço de CA em aplicações solares de CC sem verificar a capacidade de CC.

Cenários comuns:
- Supondo que as classificações de tensão CA se apliquem a sistemas CC
- Uso de SPDs CA padrão de edifícios em instalações fotovoltaicas
- Falha ao verificar as classificações de CC na rotulagem do SPD

Correção: Especifique os SPDs explicitamente classificados para o serviço de CC nos níveis de tensão do sistema de acordo com as classificações de CC da IEC 61643-31 ou da UL 1449. Os requisitos de proteção contra surtos de CA e CC diferem significativamente - os SPDs de CA não têm a capacidade de interrupção de corrente de acompanhamento necessária para o serviço de CC e podem falhar catastroficamente. Verifique se todos os SPDs instalados possuem tensão CC e classificações de corrente apropriadas para a aplicação específica.

Comprimentos excessivos de cabos entre o SPD e o equipamento

Problema: Instalação de SPDs remotamente a partir de equipamentos protegidos com condutores de conexão longos.

Cenários comuns:
- Montagem de SPDs na parede a metros de distância dos inversores para uma aparência limpa
- Instalação de SPDs em caixas de junção em vez de diretamente nos terminais do equipamento
- Encaminhamento de cabos SPD por caminhos complexos de conduítes em vez de conexões retas

Correção: Monte os SPDs a até 0,5 metro do equipamento protegido usando o menor comprimento possível de condutores. Cada metro de condutor aumenta a tensão indutiva durante os surtos, degradando a eficácia da proteção. Priorize o desempenho da proteção em detrimento da estética da instalação - aceitar instalações um pouco mais bagunçadas com SPDs montados próximos vale a pena para melhorar significativamente a proteção do equipamento.

Conexões de aterramento inadequadas ou ausentes

Problema: Conexões de aterramento de SPD usando tamanhos de condutores inadequados, comprimentos excessivos ou vários eletrodos de aterramento separados.

Cenários comuns:
- Usar os tamanhos mínimos de fios do código em vez de condutores maiores ideais
- Criação de caminhos de terra sinuosos em vez de rotas diretas mais curtas
- Aterramento de diferentes SPDs para eletrodos separados, criando loops de aterramento

Correção: Use um mínimo de 10 AWG para os SPDs do Tipo 2 e 4 AWG para os dispositivos do Tipo 1 com percursos diretos para o sistema de eletrodos de aterramento comum. Ligue todos os SPDs e equipamentos ao sistema de eletrodo único, evitando diferenças de potencial de aterramento que causam correntes de surto entre equipamentos. Considere a possibilidade de usar uma fita de cobre plana para instalações premium, reduzindo a impedância indutiva abaixo do fio redondo.

Sem monitoramento ou manutenção do status do SPD

Problema: Instalação de SPDs sem recursos de indicação de status ou sem nunca verificar a condição operacional.

Cenários comuns:
- Supondo que os SPDs ofereçam proteção contínua durante toda a vida útil do sistema
- Nenhuma inspeção de rotina dos indicadores de status do SPD
- SPDs com falha permanecem nos sistemas por anos sem substituição

Correção: Especifique SPDs com indicação visual de status mostrando a condição operacional. Inclua a inspeção do SPD nos procedimentos de manutenção de rotina - verifique os indicadores trimestralmente em locais de alta exposição ou anualmente em áreas moderadas. Substitua os SPDs com falha imediatamente, em vez de adiá-los - operar sem proteção contra surtos pode causar danos caros ao equipamento durante a próxima temporada de raios. Considere o monitoramento remoto de SPDs para instalações críticas ou inacessíveis.

Considerações sobre aplicativos especiais

Sistemas fotovoltaicos flutuantes ou aterrados

Os sistemas fotovoltaicos flutuantes (não aterrados), nos quais nenhum condutor se conecta intencionalmente ao solo, enfrentam requisitos de SPD diferentes dos sistemas aterrados. Os sistemas flutuantes precisam de SPDs tripolares que protejam as referências positivas, negativas e de aterramento simultaneamente. Os sistemas aterrados podem usar proteção bipolar quando o condutor negativo se conecta solidamente ao aterramento, embora os projetos tripolares ofereçam proteção mais robusta.

A classificação da tensão operacional máxima contínua (MCOV) do SPD deve levar em conta a configuração de aterramento do sistema. Os sistemas flutuantes desenvolvem a tensão igualmente nos condutores positivos e negativos em relação ao aterramento - para um sistema de 600 V CC, cada condutor pode atingir ±300 V em relação ao aterramento. Os SPDs para cada condutor precisam de classificações de MCOV apropriadas para essa tensão, o que pode permitir o uso de dispositivos de tensão mais baixa do que a exigida para sistemas aterrados, em que a tensão total aparece no condutor não aterrado.

A detecção de falha de aterramento interage com a instalação do SPD em sistemas aterrados e flutuantes. Os SPDs criam caminhos condutores intencionais para o aterramento durante a operação, o que pode fazer com que os sistemas de detecção de falta à terra sejam acionados durante eventos de surto. Selecione sistemas GFD compatíveis com a presença do SPD, usando limites de detecção acima das correntes de fuga do SPD, mas baixos o suficiente para detectar falhas perigosas no solo.

Sistemas de alta tensão (>1000V CC)

Os sistemas solares que operam acima de 1000 V CC - cada vez mais comuns em instalações em escala de serviços públicos - exigem SPDs especializados projetados para níveis extremos de tensão. A disponibilidade de componentes torna-se limitada nessas tensões, com menos fabricantes oferecendo produtos adequados. A especificação e a aquisição antecipadas de SPDs são fundamentais para evitar atrasos no projeto devido a longos prazos de entrega ou opções limitadas de fornecedores.

As instalações de SPD de alta tensão exigem precauções de segurança aprimoradas, incluindo distâncias de fuga e folga maiores, módulos SPD fechados que impedem o contato acidental e etiquetas de advertência abrangentes. O pessoal que trabalha em sistemas de alta tensão precisa de treinamento especializado além das qualificações elétricas padrão. Documente minuciosamente as instalações do SPD, incluindo diagramas de fiação e procedimentos de manutenção específicos para equipamentos de alta tensão.

Considere as tecnologias híbridas de SPD para aplicações de alta tensão. Os tubos de descarga de gás emparelhados com varistores de óxido metálico fornecem a capacidade de alta tensão dos GDTs com o aperto de tensão apertado dos MOVs. Os diodos de avalanche de silício oferecem resposta ultrarrápida, protegendo eletrônicos sensíveis de alta tensão, mas exigem arranjos em série-paralelo para lidar com a potência sustentada. Consulte especialistas em proteção contra surtos para projetos de sistemas de alta tensão em vez de extrapolar a experiência com baixa tensão.

Locais extremos de exposição a raios

Regiões com densidade excepcionalmente alta de relâmpagos no solo - acima de 10 relâmpagos por quilômetro quadrado anualmente - podem exigir proteção aprimorada além dos requisitos mínimos do código. As matrizes em escala de serviços públicos na Flórida, na Costa do Golfo ou em áreas montanhosas enfrentam exposição extrema a raios, exigindo um projeto de proteção robusto com margens de segurança generosas.

Considere sistemas externos de proteção contra raios com terminais de ar e condutores de descida separados dos sistemas elétricos fotovoltaicos em locais de exposição extrema. O projeto adequado do sistema de proteção contra raios (LPS), de acordo com a NFPA 780 ou a IEC 62305, intercepta algumas descargas antes da conexão com o equipamento fotovoltaico, embora os SPDs continuem sendo necessários para a proteção contra surtos induzidos. Os sistemas LPS e SPD trabalham juntos, fornecendo uma proteção abrangente que aborda tanto as descargas diretas quanto os transientes induzidos.

O monitoramento remoto e os protocolos de substituição rápida do SPD são especialmente importantes em regiões de alta exposição. Faça um orçamento para a substituição anual do SPD mesmo sem falhas observadas - o estresse cumulativo de vários eventos de surto abaixo do limiar degrada gradualmente o desempenho do SPD até que ocorra uma falha catastrófica. A substituição proativa com base na exposição, em vez de esperar por falhas, mantém a proteção ideal, evitando danos caros ao equipamento.

Perguntas frequentes

Qual é a principal diferença entre os SPDs Tipo 1 e Tipo 2 para aplicações solares?

Os SPDs tipo 1 lidam com a energia direta de queda de raios testada com formas de onda de 10/350μs a 25-100kA, o que os torna adequados para origens de matrizes e entradas de serviço. Os SPDs tipo 2 protegem contra surtos induzidos e raios atenuados testados com formas de onda de 8/20μs a 10-40kA, apropriados para locais de equipamentos após a proteção upstream. Os dispositivos do Tipo 1 são instalados onde a energia máxima de surto aparece, enquanto os dispositivos do Tipo 2 fornecem o estágio final de proteção para eletrônicos sensíveis após a energia de surto ter sido parcialmente atenuada por condutores e SPDs upstream.

Onde exatamente devo instalar os SPDs Tipo 1 versus Tipo 2 em meu sistema solar?

Instale os SPDs Tipo 1 nos combinadores de matriz ou caixas de cordas onde os condutores se originam de matrizes fotovoltaicas expostas e nas principais desconexões CC nas entradas do edifício. Esses locais enfrentam a maior exposição à energia de surtos de raios diretos ou próximos. Instale SPDs do Tipo 2 nos terminais de entrada CC do inversor, fornecendo proteção final para eletrônicos de potência sensíveis. Os sistemas grandes se beneficiam do Tipo 1 nos combinadores e na desconexão principal, além do Tipo 2 em cada inversor, criando uma proteção coordenada de três estágios.

Preciso de DC SPDs se meu sistema solar já tiver proteção contra surtos de CA?

Sim, a proteção contra surtos de CC e CA aborda diferentes ameaças em diferentes seções do sistema. Os SPDs CC protegem os arranjos fotovoltaicos, a fiação de string, os combinadores e as entradas CC do inversor contra surtos que entram pelo circuito CC - os SPDs CA não podem proteger esses componentes. Os raios que atingem as matrizes ou os raios próximos que induzem surtos nos condutores CC exigem SPDs CC para proteção. Os SPDs CA protegem a saída CA do inversor e o sistema elétrico do edifício contra surtos que entram pelas conexões da rede, desempenhando uma função de proteção completamente diferente dos SPDs CC.

Como posso saber quando meus SPDs precisam ser substituídos?

Os SPDs de qualidade incorporam indicadores visuais que mostram o status operacional - normalmente verde mostrando operação normal e vermelho indicando falha que requer substituição. Verifique os indicadores trimestralmente em locais de alta exposição ou anualmente em outros locais. Alguns SPDs incluem contatos de monitoramento remoto que informam o status aos sistemas de gerenciamento do edifício. Substitua imediatamente qualquer SPD que apresente indicação de falha. Em regiões de extrema exposição a raios, considere a substituição proativa a cada 5 a 7 anos, independentemente do status do indicador, uma vez que a exposição cumulativa a surtos abaixo do limiar degrada gradualmente o desempenho, mesmo sem falhas óbvias.

Posso usar o mesmo SPD para sistemas solares de 600V e 1000V CC?

Não, as classificações de tensão do SPD devem corresponder ou exceder a tensão máxima de circuito aberto do sistema, incluindo a correção de temperatura. Um sistema de 600 V pode exigir SPDs com classificação de 800 V CC, enquanto os sistemas de 1000 V precisam de classificações de 1200 a 1500 V CC. O uso de SPDs com classificação insuficiente causa falha prematura ou permite que uma tensão excessiva atinja o equipamento protegido. A tensão operacional contínua máxima (MCOV) do SPD deve exceder a tensão de ponto de potência máxima do sistema, enquanto a classificação de proteção de tensão deve ficar abaixo dos níveis de isolamento do equipamento. Sempre especifique os SPDs explicitamente para a tensão de seu sistema com margem de segurança adequada.

O que acontece se eu não instalar SPDs do Tipo 1 nos locais da matriz e usar apenas o Tipo 2 nos inversores?

Os SPDs Tipo 2 nos inversores podem falhar quando expostos a surtos de alta energia normalmente tratados por dispositivos Tipo 1 a montante. Os relâmpagos ou os ataques próximos podem injetar níveis de energia que excedem as classificações do Tipo 2, causando uma falha catastrófica do SPD e permitindo que a energia total do surto chegue aos inversores. Mesmo que os SPDs Tipo 2 sobrevivam ao surto inicial, o estresse os degrada gradualmente, exigindo substituições frequentes. A proteção adequada usa os tipos de SPD apropriados em cada local - Tipo 1, onde a alta energia aparece, e Tipo 2 para a proteção final do equipamento após a atenuação da energia.

A que distância as conexões de aterramento do SPD devem estar do equipamento protegido?

Os condutores de aterramento do DPS devem ser os mais curtos possíveis - idealmente abaixo de 1 metro - conectando-se diretamente ao sistema principal de eletrodos de aterramento. Cada metro de condutor de aterramento introduz aproximadamente 1μH de indutância, causando um aumento de tensão de aproximadamente 1kV durante correntes de surto rápidas. Esse aumento de tensão é adicionado à tensão de fixação do SPD, permitindo potencialmente tensões prejudiciais apesar da operação do SPD. Use caminhos de aterramento retos e diretos, evitando bobinas ou curvas desnecessárias. Em instalações premium, considere uma fita de cobre plana em vez de um fio redondo para reduzir a indutância. Ligue todos os SPDs e equipamentos a um único eletrodo de aterramento comum, evitando correntes de loop de aterramento.

Recursos relacionados

A proteção abrangente contra surtos solares requer a compreensão de como os SPDs se integram a outros componentes de proteção e sistemas de aterramento.

Saiba mais sobre tópicos relacionados à proteção contra surtos em nossos guias detalhados:

– Projeto do sistema de proteção contra surtos de CC - Especificação e coordenação completas do SPD
– Proteção contra raios solares - Integração do sistema externo de proteção contra raios
– Proteção da caixa combinadora fotovoltaica - Instalação do SPD em conjuntos de combinadores
– Requisitos de aterramento CC - Sistemas de eletrodos de aterramento adequados para a eficácia do SPD

Pronto para implementar uma proteção DC SPD eficaz em sua instalação solar? Nossa equipe técnica da SYNODE fornece orientação para a seleção de SPDs específicos do projeto, incluindo a determinação do Tipo 1 versus Tipo 2, análise de coordenação e projeto de instalação adequado. Ajudamos a garantir uma proteção abrangente contra surtos, atendendo a NEC 690.35 e, ao mesmo tempo, otimizar a economia da proteção para projetos, desde residenciais até em escala de serviços públicos.

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Última atualização: Outubro de 2025
Autor: Equipe técnica do SYNODE
Avaliado por: Departamento de Engenharia Elétrica