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Relâmpago solar e proteção contra raios

Os raios são a causa número um de falhas catastróficas em sistemas e componentes elétricos solares.


A primeira razão principal é que muitos sistemas fotovoltaicos são mal aterrados e mal protegidos. Essa também é a 2ª e 3ª razão principal.



O objetivo da proteção contra raios NÃO é impedir que o raio caia.


Você não pode fazer isso. A proteção contra raios controla o CAMINHO do raio depois que ele atinge.


Goste ou não, isso é o melhor que você pode fazer. Não é o raio que causa o dano, é o raio passando por lugares que você não quer.


A qualquer instante, há mais de 2.000 tempestades ocorrendo em todo o mundo. Essas tempestades se combinam para produzir cerca de 100 relâmpagos por segundo, cada um com um potencial de até um bilhão de volts, correntes de até 200.000 amperes e temperaturas de mais de 54.000 graus Fahrenheit.


Cem milhões de pés por segundo é a rapidez do relâmpago no céu. Não é de admirar que o flash seja difícil de assistir do começo ao fim; começa e para quase ao mesmo tempo.


O relâmpago viaja a 90.000 milhas por segundo (quase 1/2 da velocidade da luz), 100.000 vezes mais rápido que o som e é aí que reside a razão pela qual o trovão é ouvido depois que o flash é visto.


O curso, que tem cerca de duas polegadas de diâmetro e entre 200 pés e 20 milhas de comprimento, dura apenas um microssegundo.


De acordo com imagens de dados do Lightning Imaging Sensor (LIS) da NASA. De dezembro de 1997 a janeiro de 1998, o LIS constatou que 90% dos raios caíam sobre a terra.



Quase nada pode oferecer 100% de proteção contra raios ou danos - mas pode ser reduzido em 95% ou mais com precauções simples e métodos de instalação relativamente baratos.


Mitos:


Existem muitos mitos sobre raios. Alguns persistiram por séculos. Alguns realmente tolos parecem ficar por aí para sempre. Alguns dos mais populares estão abaixo.


Um para-raios, uma torre aterrada ou uma estrutura alta tornam mais provável que um raio atinja


Mito - Terá pouco ou nenhum efeito sobre a probabilidade de atingir a área imediata, o importante é que será conduzido diretamente ao solo, sem ter que passar primeiro pelo seu inversor e computador.


Isso torna mais provável que atinja onde você deseja. Há alguma evidência de que alguns choques podem ser evitados com o uso de pára-raios especiais de ponta afiada, que drenam parte da carga acumulada. No entanto, isso tem sido uma controvérsia por pelo menos 50 anos.


O raio sempre atinge o objeto mais alto


Mito - Pode atingir qualquer lugar - embora seja mais provável que atinja o objeto mais alto, não há garantia.


Também é mais provável que atinja algo com um bom caminho para o solo, como uma torre de aço.


Às vezes, mesmo que atinja o objeto mais alto, você pode obter flashes laterais se o objeto atingido não estiver bem aterrado.



Como pode ser visto no mapa à direita, um raio pode cair em qualquer lugar. Obviamente, algumas áreas são muito mais ativas do que outras -


Este mapa não mostra a intensidade relativa, por isso pode ser um pouco enganador. Embora o Sudoeste não tenha uma taxa tão alta no número total de greves, algumas das maiores greves já registradas são daquela área devido às correntes ascendentes às vezes violentas do solo superaquecido do deserto.


Que tipo de dano um raio pode causar?


A maioria dos danos elétricos e eletrônicos em sistemas elétricos solares conectados à rede e fora da rede NÃO se deve a um impacto direto.


Na verdade, os acertos diretos são raros. A maioria dos danos ocorre em ataques próximos, geralmente a algumas centenas de metros.


Um quase-ataque pode induzir milhares de volts na casa e na fiação do painel fotovoltaico se não estiver protegido.


Em um impacto no solo, ele também pode se espalhar e viajar para condutores enterrados, como canos e cabos enterrados.


Ao contrário da suposição popular, os próprios painéis não são a maior vítima - inversores e controladores são.


As estruturas e montagens em painéis geralmente são aterradas (às vezes mais por acidente do que por projeto), e isso muitas vezes desvia o raio diretamente para o solo, salvando os painéis.



Além disso, os bancos de baterias na maioria dos sistemas fotovoltaicos fora da rede atuam como um supressor de surtos bastante bom se você tiver boas conexões e um bom aterramento - mas pode remover o controlador no caminho.


Se o banco de baterias não estiver aterrado, os danos podem ser muito mais graves - ele pode pular tentando encontrar um caminho para o aterramento.


Os objetos podem ser atingidos diretamente e esse impacto pode resultar em explosão, queimadura ou destruição total.


Ou o dano pode ser indireto quando a corrente passa por ele ou próximo a ele. Às vezes, a corrente pode entrar em um prédio e ser transferida através de fios ou encanamentos e danificar tudo em seu caminho.


Da mesma forma, em áreas urbanas, pode atingir um poste ou uma árvore e a corrente então se desloca para várias casas próximas e outras estruturas e entra nelas por meio de fiação ou encanamento.


Em alguns casos, um raio pode atingir o solo e subir por linhas de energia enterradas por centenas de metros.


É muito importante observar que o raio NÃO precisa atingir diretamente para causar danos. De fato, por causa do EMP (pulso eletromagnético) associado a grandes choques, os campos estáticos e elétricos que ocorrem realmente causam a maior parte dos danos em equipamentos elétricos e eletrônicos desprotegidos.



Em uma greve próxima, a fiação em uma casa ou sistema fotovoltaico age como uma antena e, se desprotegida e/ou não aterrada, pode alimentar milhares de volts de volta em seu inversor e outros equipamentos.


Protegendo seu sistema de energia solar


Aterramento adequado

Em primeiro lugar, o artigo 780 do NEC(NFPA) para proteção contra raios podem não ser totalmente adequados para instalações fora da rede.


Na verdade, as práticas recomendadas podem torná-lo MAIS perigoso. Infelizmente, alguns inspetores locais assumem que o livro do Código Elétrico Nacional é uma bíblia e não permite nenhum desvio.


Por exemplo, Zonas de proteção, incluindo cones e bolas rolantes, carecem de avisos sobre a natureza imprevisível do raio.


Essas abstrações geométricas são apresentadas como níveis de proteção factuais, e não estatísticos. Isso não quer dizer que você não deva seguir as recomendações do NEC na maioria dos casos - mas você deve estar ciente de que pesquisas recentes mostram que pode haver variações consideráveis ​​da média.


Outras etapas podem ser necessárias para sistemas fotovoltaicos. O aterramento NEC se preocupa principalmente com a segurança elétrica, não com a proteção contra raios, e os dois podem nem sempre ser compatíveis.


Para proteção contra raios, pode ser necessário tomar medidas além dos requisitos mínimos do código.



A finalidade do aterramento: Equipamento: As estruturas e montagens do painel são aterradas para fornecer o caminho mais fácil para o raio chegar ao solo.


Você prefere que ele desça pelo poste de montagem ou pela haste de aterramento do que pela fiação do controlador ou inversor ou da nova TV de tela ampla.


Sem um aterramento adequado, o raio pode fazer algumas coisas realmente estranhas e pode pular enquanto tenta chegar à terra.


Se o seu inversor estiver atrapalhando, você provavelmente comprará um novo. Você não pode parar um raio, mas geralmente pode direcionar para onde deseja que ele vá.


Fusíveis e disjuntores NÃO oferecem proteção : Fusíveis e disjuntores não oferecem nenhuma proteção contra raios. Esse não é o propósito deles.


A iluminação geralmente dura apenas alguns microssegundos - muito mais rápido do que qualquer fusível ou disjuntor pode queimar.



É bastante improvável que uma folga de fusível de uma polegada ofereça muita proteção contra um parafuso que acabou de cortar três quilômetros ao ar livre.


No entanto, persiste o mito de que um fusível oferecerá proteção contra iluminação. Não vai.


Aterramento de ponto único: A importância de um aterramento de proteção de ponto único não pode ser enfatizada o suficiente.


Todos os equipamentos devem ser normalmente ligados a um único aterramento bom. Se você tiver algum equipamento em um terreno, e outro equipamento em outro terreno, é bem provável que em um golpe próximo haja uma grande diferença de tensão entre os dois terrenos.


Isso significa que os equipamentos estarão em voltagens diferentes, às vezes altas o suficiente para formar arcos de um para o outro.


Há uma exceção a isso: se você tiver uma matriz de painéis com mais de 50 a 75 pés ou mais do resto do sistema, ela deve ter seu próprio aterramento de estrutura/montagem (não aterramento elétrico).


Uma única haste de aterramento raramente é suficiente: testes realizados nos últimos anos mostram que, na maioria dos casos, uma única haste de aterramento de 6 ou 8 pés NÃO é suficiente, mesmo quando o solo é salgado para melhorar a condutividade.



O problema é que, em climas áridos com solo seco, pode levar até uma dúzia de hastes para reduzi-la à resistência de aterramento de 10 ohms que geralmente é aceita como ideal (25 ohms é o mínimo NEC). Para chegar ao mínimo de 25 ohm NEC, você pode ter que usar 2-3 hastes de 10 pés, todas ligadas com fio nº 6 e braçadeiras de fio de cobre.


No entanto, se você não pode fazer isso, algo é melhor do que nada. Em alguns casos, você pode ter que ir tão longe a ponto de enterrar pedaços de fio de cobre nu ou tubo de cobre em trincheiras.


Requisitos de Aterramento e NEC


O NEC exige que todas as superfícies metálicas expostas sejam aterradas independentemente da tensão nominal do sistema.


Sistemas com tensões de circuito aberto PV abaixo de 50 Volts não precisam ter um dos condutores condutores de corrente aterrados.


Qualquer sistema com tensões CA de 120 volts deve ter o neutro aterrado. Alguns inversores não isolam os lados CA e CC; aterrar o neutro CA também aterrará o negativo CC.


Outros inversores têm a caixa (que deve ser aterrada) conectada à entrada negativa que aterra o condutor condutor de corrente negativa.



O requisito NEC pode ser estendido. Um condutor separado (o maior possível, mas não menor que o número 10 AWG) deve ser fixado a cada estrutura de módulo metálico com um terminal de aterramento ou outro método aprovado.


A outra extremidade desses condutores deve ser conectada a um único ponto na estrutura ou rack do array - novamente com outro parafuso auto-roscante de aço inoxidável ou com um parafuso de aço inoxidável em um orifício perfurado e roscado.


A partir deste ponto, o condutor de cobre número 4-6 AWG ou maior deve ser executado diretamente no aterramento mais próximo, onde é conectado à haste de aterramento mais longa e profunda possível.


Oito pés é o comprimento mínimo recomendado. Use um grampo listado pela UL para fazer a conexão.


Se um revestimento de poço de aço estiver disponível, perfure e rosqueie o revestimento e use-o como haste de aterramento.


Em áreas secas, várias hastes de aterramento espaçadas de 20 a 50 pés em uma configuração radial, todas ligadas à haste central podem ser eficazes.


O cano de água de cobre enterrado também pode melhorar o sistema de aterramento. Tubos ou fios de cobre podem ser enterrados em valas de 12 a 18 polegadas de profundidade em uma grade radial.



Todos os membros de aterramento devem ser conectados ou ligados à haste de aterramento central com condutores pesados ​​e nus enterrados no subsolo.


Devem ser usadas braçadeiras de aterramento de enterramento direto listadas pela UL ou solda para todas as conexões.


A solda nunca deve ser usada para conexões subterrâneas - pode corroer o subsolo devido aos diferentes metais.


Você não pode obter um aterramento "perfeito" a menos que esteja preparado para gastar megabucks em cabos de cobre enterrados.


No entanto, é possível obter um bom terreno na maioria das áreas e não precisa ser caro. Em locais secos e/ou rochosos, pode ser mais um "desafio".


Se você não consegue ficar perfeito, QUALQUER COISA é melhor do que nada. Se você tiver um leito rochoso a 3 pés, tente colocar de 3 a 6 hastes de aterramento curtas e amarre-as todas juntas com pelo menos fio nº 4 e boas braçadeiras. - não é perfeito, mas muito melhor do que nada.


Outra maneira é enterrar fios grossos ou (geralmente mais baratos) tubos de cobre em valas. Manter o solo úmido e/ou salgar a área próxima também ajudará.


O lado negativo do banco de baterias deve ser aterrado no mesmo ponto que todos os outros fios terra.



As baterias geralmente têm uma resistência interna muito baixa e podem ajudar a agir como um grande pára-raios em tudo, exceto em um impacto direto.


Isso pode impedir que um impacto próximo aos painéis salte para o inversor e outros equipamentos. O fio terra deve ser pelo menos #8, e #6 ou #4 é recomendado.


Pára-raios


Pára-raios, ou protetores contra surtos, agem como "grampos" na maioria dos casos. Eles atravessam os fios energizados com outro fio indo para o chão.


Normalmente eles apenas ficam lá, mas se a voltagem ultrapassar um certo nível, eles começam a conduzir, colocando a voltagem mais alta em curto com o terra.


Em áreas propensas à iluminação, você também deve instalar um capacitor de surto - isso não é realmente um pára-raios, mas age extremamente rápido e captura aqueles picos de alta tensão na linha CA que são rápidos demais para um pára-raios.



Para que a maioria dos sistemas obtenha a melhor proteção, você deve ter um pára-raios CC na ENTRADA do controlador de carregamento.


Ele deve estar o mais próximo possível do controlador de carregamento. No lado CA (e isso se aplica AMBOS à entrada CA do inversor e à saída CA (para geradores e/ou sistemas grid tie), você deve ter um pára-raios CA e um capacitor contra surtos.


A maioria dos danos ao inversor é causada por surtos no lado CA que chegam através da fiação da casa ou do gerador.


Em muitos sistemas com um gerador de backup, o gerador está localizado fora, a alguma distância do inversor, e é um ponto de acerto comum para raios.


Os benefícios de também colocar pára-raios na extremidade do gerador não são tão bons e, se instalados, você provavelmente precisará de um sistema de haste de aterramento separado.


Para a maioria dos sistemas de médio e grande porte, recomendamos os supressores de sobretensão Midnite Solar ou os tipos Outback Power.


Pode parecer um pouco alto gastar mais de $ 200 em pára-raios, mas a conta de reparo típica de um grande inversor de onda senoidal que foi atingido por um raio pode chegar a mais de $ 1.000.


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