Porque e importante fazer o isolamento de energia?

Os materiais condutores elétricos possuem elétrons que deslocam com mais facilidade em seu interior, fazendo com que a energia elétrica percorra livremente.

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Porque e importante fazer o isolamento de energia?
Qual a importância da isolação de um equipamento?
O que ocorre quando há falha na isolação elétrica?
Para que serve os materiais isolantes?

Os metais por exemplo são ótimos condutores de energia elétrica. O interior desses fios elétricos costuma ser feito com o cobre, alumínio, ouro, prata etc.

Outros exemplos que são condutores de energia elétrica, além dos metais, seria o próprio solo, água e até mesmo o corpo humano.

Isolantes Elétricos

A eletricidade tende a não percorrer no interior de materiais isolantes elétricos, isso porque, ao contrário dos condutores eles possuem poucos elétrons livres e estes resistem ao fluxo de corrente elétrica.

A função do material isolante é fazer com que a eletricidade percorra, sem escapar para outros lugares.

O isolamento elétrico também é usado em sistema de energia. Um exemplo disso seria pequenos transformadores, motores elétricos e geradores de energia. Eles possuem um isolamento das bobinas de arame por meio de verniz polimérico.

Entre os materiais isolantes elétricos estão o PVC, o vidro, o amianto, o laminado rígido, o silicone, o verniz, a resina, o papel, o teflon, entre outros.

Por que o isolamento elétrico é importante?

O isolamento elétrico é necessário para manter a segurança e evitar choque elétricos. O choque elétrico pode ter consequências e ocasionar feridas fatais, movimentos involuntários e a morte por fibrilação ventricular.

Apesar do isolamento elétrico limitar o fluxo de corrente entre os diferentes condutores elétricos, não existe um material perfeito. Cada material possui certa resistência a eletricidade, mas não é uma resistência infinita.

Por isso é tão importante escolher o tipo de material adequado para cada situação e se assegurar da qualidade do material do escolhido. A Orion hoje conta com uma linha de produtos e isolantes elétricos de primeira qualidade, confira no nosso site ou entre em contato com a nossa equipe.

O ensaio de resistência de isolamento é um teste de segurança elétrica e tem o objetivo de mostrar se um sistema fotovoltaico oferece isolamento adequado entre seus subsistemas e o ambiente externo. Desta forma, também é possível verificar a integridade de condutores e equipamentos, além de detectar a degradação e falhas no isolamento dos condutores.

Figura 1 – Instalador de sistemas fotovoltaicos utilizando um medidor de resistência de isolamento.

O ensaio de resistência de isolamento elétrico é uma das várias maneiras de detectar ou prever a falha de condutores em um sistema fotovoltaico. O teste “Megger”, como o ensaio de isolamento costuma ser chamado, é uma marca registrada de um produto de uma empresa que foi pioneira nesse tipo específico de teste [1].

O que é uma falha de isolamento?

Quando, em uma instalação ou em um equipamento, duas ou mais partes, que estejam sob potenciais diferentes, entram em contato acidentalmente, por falha de isolamento, entre si ou com uma parte aterrada, temos uma falta. Por exemplo, dois condutores encostando um no outro, ou um condutor em contato com um encapsulamento metálico ligado à terra.

Figura 2 – Resistência de isolamento dos condutores potencialmente comprometida.

Uma falta pode ser direta, quando as partes encostam efetivamente, isto é, quando há contato físico entre elas, ou não direta quando não há contato físico e sim um arco entre as partes. Quando uma das partes for a terra falamos em falta para terra. Um curto-circuito é uma falta direta entre condutores vivos, isto é, fases e neutro. Uma falta para terra pode resultar de uma falha de isolamento, sendo que faltas para terra e arco elétrico são as duas razões mais comuns para incêndios em arranjos fotovoltaicos [1].

Em sistemas fotovoltaicos que utilizam um inversor sem transformador, os circuitos CC são isolados do terra. Módulos com defeito de isolamento, condutores expostos ou uma falha interna do inversor podem causar uma fuga de corrente CC no terra (terra de proteção).

Tal falha também é chamada de falha de isolamento [

2].

A corrente de fuga é a corrente que, por imperfeição da isolação, flui para a terra ou para elementos condutores estranhos à instalação. É importante observar que na prática sempre existe, em qualquer circuito, uma corrente de fuga, uma vez que não há, rigorosamente falando, isolantes perfeitos. No entanto, em condições normais, as correntes de fuga são extremamente baixas (só detectáveis por amperímetros muito sensíveis) e não chegam a causar problemas à instalação [3].

É necessário testar a resistência de isolamento para garantir a segurança elétrica, mostrando isolamento suficiente entre os componentes condutores de eletricidade e a estrutura do módulo fotovoltaico, ou entre o módulo fotovoltaico e o ambiente externo. Um isolamento inadequado pode ocasionar choques elétricos e outros perigos.

Ensaios de resistência de isolamento são usados para verificar e demonstrar a integridade da fiação elétrica e equipamentos. Estes ensaios também podem ser usados para avaliar a degradação ou danos no isolamento da fiação e localizar falhas dentro de arranjos fotovoltaicos e outro circuitos do sistema. Os ensaios de resistência de isolamento são um elemento importante de comissionamento, testes de aceitação e manutenção preventiva para sistemas fotovoltaicos.

Figura 3 – Danos em sistemas fotovoltaicos causados por falhas de isolamento.

Identificando uma falha de isolamento

Toda vez que um inversor entra em modo operacional e começa a produzir energia, a resistência entre o terra e os condutores de corrente contínua é verificada. O inversor exibe um erro de isolamento quando detecta uma resistência de isolamento combinada total inferior a um determinado valor.

Uma falha de isolamento pode desaparecer e ocorrer novamente após um curto período, por exemplo, quando causada pela umidade da manhã. Portanto, recomenda-se solucionar o problema assim ocorrer, antes que o mesmo possa desaparecer temporariamente.

Os condutores elétricos geralmente são isolados com uma cobertura externa para protegê-los de entrar em contato com pessoas, equipamentos ou outros condutores. Quando os condutores são expostos nos pontos de terminação ou nos barramentos, o espaçamento dos terminais e as lacunas de ar fornecem propriedades isolantes.

A qualidade do isolamento do condutor pode ser determinada através da medição de sua resistência. A resistência de isolamento é determinada aplicando uma tensão de teste constante a um condutor e medindo o fluxo de corrente entre o condutor e o terra (ou entre outros condutores desenergizados do sistema). Este ensaio é análogo ao teste de pressão em um sistema de hidráulico para detectar para vazamentos de água.

O que dizem as normas?

A norma técnica ABNT NBR 5410 - Instalações elétricas de baixa tensão [4] determina que os ensaios de resistência de isolamento da instalação elétrica devem ser realizados, quando pertinentes. No item 7.3.3 da norma é determinado que a resistência de isolamento deve ser medida entre cada condutor vivo e terra e entre os condutores vivos, tomados dois a dois.

Figura 4 – Medidor de resistência de isolamento.

No caso de sistemas fotovoltaicos não há o que se discutir em relação à pertinência dos ensaios de resistência de isolamento. A norma técnica ABNT NBR 16274 - Sistemas fotovoltaicos conectados à rede – Requisitos mínimos para documentação, ensaios de comissionamento, inspeção e avaliação de desempenho [5] determina que deve ser aplicado o ensaio de resistência de isolamento dos circuitos CC. Para a elaboração da norma ABNT NBR 16274 tomou-se como base o texto da norma IEC 62446-1 [6].

As subseções 6.7 e 8.3 da ABNT NBR 16274 são dedicados exclusivamente a este tema. Na subseção 6.7 estão descritos o método e os procedimentos do ensaio de resistência de isolamento do arranjo fotovoltaico, além das medidas de segurança a serem seguidas. Enquanto que a subseção 8.3 descreve um procedimento de ensaio de resistência de isolamento úmido, o qual avalia o isolamento elétrico do arranjo FV sob condições operacionais úmidas.

Figura 5 – Medidor de resistência de isolamento.

Quando fazer um ensaio de resistência de isolamento?

À medida que o isolamento dos condutores se degrada, sua resistência de isolamento diminui. Quanto maior o seu valor de resistência de isolamento, melhor a qualidade do isolamento do condutor. Correntes de fuga excessivas podem representar risco de choque elétrico, danificar equipamentos e prejudicar o desempenho do sistema. Além disso, uma falha de aterramento pode resultar de uma falha no isolamento que isola os condutores que transportam corrente do contato com superfícies condutivas aterradas.

Danos ao isolamento dos condutores podem ser resultado de uma instalação inadequada, ou de fatores ambientais, incluindo impactos ou vibração, de animais ou insetos, ou deterioração provocada pela temperatura ou pela luz solar, ou outras condições adversas. Devido à degradação dos módulos fotovoltaicos e dos sistemas de fiação ao longo de muitos anos de exposição direta às intempéries, os painéis fotovoltaicos mais antigos terão, naturalmente, menor resistência de isolamento do que quando eram novos. Os ensaios de resistência de isolamento são recomendados em um intervalo de manutenção de 3 anos, ou com mais frequência, conforme as circunstâncias exigirem.

Figura 6 – Conectando um medidor de resistência de isolamento ao módulo fotovoltaico.

Já um ensaio de resistência de isolamento úmido é normalmente realizado quando os resultados de um ensaio em condições secas são inconclusivas ou questionáveis. Este ensaio também é normalmente realizado quando existe a suspeita de falhas de isolamento devido a defeitos de fabricação ou de montagem do arranjo FV.

Como fazer um ensaio de resistência de isolamento?

Existem dois métodos para realizar um ensaio de resistência de isolamento, um deles é curto-circuitar os terminais positivo e negativo da string antes de medir a resistência de isolamento entre o ponto de curto-circuito e o terra. O outro é medir a resistência de isolamento entre o eletrodo positivo e o terra, e depois entre o eletrodo negativo e o terra separadamente, sem curto-circuito. Ambos os métodos estão descritos na norma IEC 62446-1, portanto, ambos podem ser usados. No entanto, quando são utilizados sistemas tradicionais de string, para cada método, há vários problemas a serem considerados.

Um módulo fotovoltaico é considerado uma fonte de corrente constante, portanto, eletricamente, não é um problema realizar curto-circuito nos terminais positivo e negativo. Uma vez que os terminais estejam em curto, a resistência de isolamento pode ser medida corretamente usando medidores de resistência de isolamento.

No entanto, deve-se prestar muita atenção ao curto-circuitar os terminais em sistemas tradicionais de string. Este método apresenta uma forma precisa, porém perigosa, de medir a resistência de isolamento. A única alternativa quando se usa o método de curto-circuito é medir a resistência de isolamento durante a noite quando os módulos fotovoltaicos não estão gerando energia.

O segundo método de testar a resistência de isolamento é testar sem curto-circuitar os terminais. Com este método, o risco de choque elétrico será minimizado, mas, por sua vez, você corre o risco de obter valores de medição incorretos devido ao método de teste usado pelos medidores de resistência de isolamento. Isso é causado pelo potencial elétrico existente no módulo fotovoltaico. Os medidores de resistência de isolamento em geral são projetados para medir um objeto que não tem potencial elétrico. Quando o potencial elétrico está presente, o valor medido pode ser maior ou menor que o valor real, dependendo das condições de medição.

Figura 7 – Medidor de resistência de isolamento.

Em resumo, quando se mede a resistência de isolamento entre o eletrodo positivo e o terra, o medidor detectará uma corrente mais alta devido à corrente adicional gerada pelo módulo fotovoltaico e calculará uma resistência de isolamento menor do que o valor real, resultando em um falso negativo. Em contrapartida, quando se mede a resistência de isolamento entre o eletrodo negativo e o terra, as direções da corrente medida e da corrente gerada pelo módulo estarão opostas uma à outra, fazendo com que parte da corrente medida seja cancelada. Como resultado, a resistência de isolamento calculada será maior do que o valor real, resultando em um falso positivo [7].

Já para sistemas fotovoltaicos da categoria MLPE estes riscos praticamente não existem, visto que não existem strings de módulos FV.

Considerações Finais

Atualmente, os fabricantes de módulos fotovoltaicos usam máquinas avançadas de ensaio que também testam a resistência de isolamento do módulo. Como esse é um importante aspecto de segurança do módulo FV, de acordo com a norma IEC 61215, o ensaio de resistência de isolamento precisa ser instalado na linha de montagem de cada fabricante.

Antes de testar produtos e instalações específicos, incluindo inversores e strings de módulos fotovoltaicos, confirme o procedimento de teste junto ao fabricante, de modo a não anular as garantias. Alguns fabricantes de módulos explicitamente desautorizam testes de isolamento. No entanto, os locais mais comuns de faltas à terra em sistemas fotovoltaicos estão nos módulos e seus condutores [1].

Referências

[1]National Renewable Energy Laboratory – NREL, Field Guide for Testing Existing Photovoltaic Systems for Ground Faults and Installing Equipment to Mitigate Fire Hazards, October, 2015. Available electronically at SciTech Connect http:/www.osti.gov/scitech.

[2]SolarEdge, Application Note – Isolation Fault Troubleshooting, December, 2017.

[3]Prysmian Group, Manual Prysmian de Instalações Elétricas, 2010.

[4] Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT NBR 5410:2004 - Instalações Elétricas de Baixa Tensão, 2004.

[5] Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT NBR 16274:2014 - Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede — Requisitos Mínimos para Documentação, Ensaios de Comissionamento, Inspeção e Avaliação de Desempenho, 2014.

[6]International Standard, IEC 62446-1:2016 - Photovoltaic (PV) Systems - Requirements for Testing, Documentation and Maintenance - Part 1: Grid Connected Systems - Documentation, Commissioning Tests and Inspection, 2016.

[7]Industrial Automation Asia, Testing the Insulation Resistance of Photovoltaic Panels, September, 2018.

Por: João Paulo de Souza

Responsável técnico da Ecori Energia Solar, especialista em sistemas fotovoltaicos com tecnologia MLPE. Possui mestrado em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, graduação em Engenharia Elétrica Industrial e curso técnico-profissionalizante em Eletrotécnica Industrial pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão - IFMA. Membro do Comitê Técnico Brasileiro de Sistemas de Conversão Fotovoltaicas de Energia Solar ABNT/CB-003. Engenheiro de sistemas aeroespaciais na Binacional Alcântara Cyclone Space (ACS). Foi pesquisador colaborador no Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE). Trabalhou na montagem do Laboratório de Identificação, Navegação, Controle e Simulação (LINCS) no IAE.

Porque e importante fazer o isolamento de energia?

Os isolantes opõem-se fortemente à movimentação de cargas e por isso são usados para isolar superfícies de contato, evitando acidentes com choques elétricos ou diminuindo perdas de energia em fios condutores.

Qual a importância da isolação de um equipamento?

A principal função da isolação é confinar o campo elétrico gerado pela tensão aplicada ao condutor no seu interior. A importância da isolação para condutores elétricos é tanta que, qualquer problema como furos ou até mesmo rasgos na superfície pode ocasionar em sérios problemas no funcionamento do cabo.

O que ocorre quando há falha na isolação elétrica?

Uma falha de isolamento pode desaparecer e ocorrer novamente após um curto período, por exemplo, quando causada pela umidade da manhã. Portanto, recomenda-se solucionar o problema assim ocorrer, antes que o mesmo possa desaparecer temporariamente.

Para que serve os materiais isolantes?

Enquanto os condutores permitem a movimentação dos elétrons ou íons, os isolantes dificultam essa movimentação, ou seja, a passagem da eletricidade. É o mesmo que dizer que os condutores conduzem as cargas, ou facilitam, a sua passagem e que os isolantes a isolam.