O barramento principal de uma nanorrede c.c. ´e suscet´ıvel `a ocorrˆencia de dois tipos de falta: falta fase-fase, por meio de um curto-circuito entre os dois p´olos do barramento c.c., e falta fase-terra, entre um p´olo e a malha de aterramento da instala¸c˜ao. Uma falta fase-fase produz um curto-circuito franco no barramento c.c. principal da nanorrede, o que afeta consequentemente todos os conversores a ele conectados. Assim, a magnitude
da corrente de falta fase-fase ser´a o somat´orio das correntes de sa´ıda de cada um desse conversores. A severidade deste tipo de falta pode ser reduzida ao se munir os conversores est´aticos interligados ao barramento principal da capacidade de controlar suas correntes de sa´ıda, o que levaria a uma corrente de falta limitada e conhecida. Neste caso, o seccionamento do circuito faltoso pode ser realizado pelo emprego de disjuntores no lado c.c., uma vez que o ponto onde ocorre a falta tende a absorver toda a corrente do sistema, o que excederia o limite de corrente do dispositivo de prote¸c˜ao e consequentemente levaria ao seu acionamento.
Disjuntores termomagn´eticos convencionais podem ser empregados na interrup¸c˜ao de correntes cont´ınuas, no entanto, deve-se adaptar as formas de liga¸c˜ao e as curvas de acionamento do disjuntor para o uso em corrente cont´ınua [46]. A Figura 2.10 apresenta as curvas B e C de disjuntores c.a. convencionais, onde se nota que para o uso em c.c. existe uma expans˜ao da regi˜ao de acionamento instantˆaneo, indicando que se o mesmo disjuntor for utilizado em c.c. os limites de corrente ser˜ao maiores do que no caso c.a.. Outro fator ´e a capacidade do disjuntor de extinguir arcos el´etricos. Como em c.c. n˜ao existem passagens da corrente por zero, os arcos el´etricos tendem a se sustentarem, sendo que os disjuntores convencionais n˜ao possuem normalmente capacidade de elimin´a-los. Para tal, aconselha-se aumentar a distˆancia entre os contatos do disjuntor, associando, por exemplo, contatos de um disjuntor tripolar em s´erie [22]. Disjuntores para uso em c.c. tamb´em est˜ao dispon´ıveis no mercado, sendo que utilizam normalmente a curva C apresentada na Figura 2.10, contudo eles tendem a ser mais caros e mais dif´ıceis de encontrar do que seus similares c.a., no mercado nacional. Assim, disjuntores termomagn´eticos aplicados em c.c. ser˜ao acionados ao detectarem uma corrente de falta entre 5 e 15 vezes (Tipo C tripolar) ou entre 5 e 10 vezes (Disjuntor c.c.) a sua corrente nominal. O tempo de abertura do contato, mesmo na regi˜ao de acionamento instantˆaneo pode durar alguns milisegundos.
No caso de uma falta fase-terra, por outro lado, a capacidade de limita¸c˜ao de corrente de sa´ıda dos conversores pode n˜ao ser eficaz, uma vez que a corrente circular´a por um caminho de modo comum. A Figura 2.11 apresenta uma simula¸c˜ao da nanorrede c.c. frente `a ocorrˆencia de uma falta fase-terra. Observa-se que a corrente de falta n˜ao ´e limitada
a) Curva B. b) Curva C. Figura 2.10: Curvas de disjuntores B e C.
pelos conversores, atingindo valores muito elevados. Al´em disso, observa-se que a principal parcela da corrente de falta circula pelo conversor de interface BGIC (Bidirectional Grid Interface Converter ), enla¸cando, portanto, o lado c.a. da instala¸c˜ao. Com isso, a falta fase-terra pode tamb´em ser detectada por dispositivos posicionados no ponto de conex˜ao entre a nanorrede e a rede el´etrica da concession´aria de energia.
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A primeira vista, os resultados da simula¸c˜ao podem levar `a conclus˜ao de que a prote¸c˜ao deste tipo de falta pode ser realizada pelo emprego de disjuntores no lado c.c. e/ou no lado c.a. da nanorrede. Contudo, ´e importante salientar que a r´apida varia¸c˜ao da corrente de falta pode comprometer a coordena¸c˜ao de prote¸c˜ao da nanorrede, isso por que, o tempo necess´ario para que os disjuntores termomagn´eticos detectem e interrompam a corrente de falta, que ´e na faixa de alguns milissegundos, ´e muito superior ao tempo de prote¸c˜ao contra sobrecorrentes implementado pelos pr´oprios conversores, seja esta executada via software, ou via hardware, por meio do Gate Driver dos transistores do conversor. Assim, antes que qualquer dispositivo de prote¸c˜ao possa atuar, o pr´oprio conversor ir´a promover
Figura 2.11: Simula¸c˜ao da corrente de falta fase-terra.
a interrup¸c˜ao da conex˜ao com a rede el´etrica levando o sistema `a opera¸c˜ao ilhada. Uma vez em opera¸c˜ao ilhada, as impedˆancias de aterramento ir˜ao promover a limita¸c˜ao da corrente de falta, evitando danos `a instala¸c˜ao e seus componentes. Contudo, para que os dispositivos de prote¸c˜ao consigam realizar o seccionamento de ramos faltosos sem que haja a suspens˜ao do ponto de conex˜ao comum, estes devem exibir tempos de acionamento na ordem de microssegundos, o que apenas pode ser alcan¸cado com o emprego de dispositivos de estado s´olido. A literatura apresenta diversas propostas de dispositivos de prote¸c˜ao de estado s´olido e h´ıbridos, atingindo tempos de abertura compat´ıveis com a aplica¸c˜ao em quest˜ao [22, 60, 61, 62, 63], contudo, um dispositivo comercial ainda n˜ao est´a prontamente dispon´ıvel.
A partir dessa an´alise, pode-se discorrer sobre a topologia dos dispositivos de prote¸c˜ao exibidos na Figura 2.9. Como comentado, a grande maioria dos dispositivos no lado c.c. devem empregar tecnologias baseadas em estado s´olido, para poder interromper faltas fase-terra. Assim os dispositivos dos circuitos de alimenta¸c˜ao, DP.7-x, devem ser de estado s´olido e dimensionados para atuar em um n´ıvel de corrente inferior ao limite de prote¸c˜ao contra sobrecorrente do conversor BGIC. Como os pr´oprios conversores podem implementar a limita¸c˜ao da corrente em faltas fase-fase e se desativarem em caso de faltas fase-terra, os dispositivos DP.2, DP.4 e DP.6 se tornam desnecess´arios, contudo, pode-se
escolher empregar disjuntores termomagn´eticos para se ter uma prote¸c˜ao contra falhas nos conversores e/ou uma forma de seccionamento manual. Disjuntores termomagn´eticos tamb´em podem ser empregados em DP.1 (disjuntor c.a. tipo C) e DP.3 para proteger a rede el´etrica e o banco de baterias de falhas nos conversores BGIC e ESC respectivamente. O dispositivo DP.5, no entanto, n˜ao se faz necess´ario, pois o arranjo fotovoltaico possui uma corrente de curto-circuito limitada, n˜ao promovendo danos ao sistema em caso de faltas.