Painéis de distribuição de média tensão (10-35 kV) para usinas fotovoltaicas: Guia de conexão à rede

Quando uma usina fotovoltaica (FV) atinge a escala de 10 MW, o lado CC deixa de ser o principal desafio de engenharia. O verdadeiro teste de confiabilidade reside no sistema de coleta de média tensão (MT) e no ponto de conexão à rede. Como especialista em estruturas de suporte FV com 15 anos de experiência em engenharia solar de grande escala, testemunhei como a seleção inadequada de equipamentos de manobra de MT leva a desligamentos indesejados, falhas em transformadores e não conformidade com as normas de rede. Este guia explica o papel crítico dos equipamentos de manobra de MT de 10-35 kV na conexão de usinas FV à rede, com base em dados de campo de projetos que supervisionei em diversos terrenos.

O painel de média tensão atua como o sistema nervoso central entre os inversores fotovoltaicos e a rede de transmissão de alta tensão. Ele deve lidar com correntes de falta, isolar alimentadores defeituosos e sincronizar a exportação de energia com os rigorosos requisitos da concessionária. Sem esse equipamento, todo o sistema fotovoltaico permanece isolado, incapaz de fornecer energia com segurança. Neste tutorial, você aprenderá sobre topologias de painéis de média tensão, coordenação de proteção e normas de teste que regem essa interface essencial.

O papel dos equipamentos de manobra de média tensão em usinas fotovoltaicas

Em uma usina fotovoltaica típica de grande escala, os inversores geram 800 V ou 1500 V CC, que são elevados por transformadores de distribuição para 10 kV, 20 kV ou 35 kV CA. O painel de média tensão coleta essa energia de várias linhas de alimentação e a direciona para o transformador elevador principal. Esse equipamento também deve fornecer um ponto de isolamento claro para as equipes de manutenção, garantindo que os técnicos possam trabalhar em uma única string de inversores sem desenergizar toda a usina.

Meu projeto de 2023 na Espanha, uma usina de 45 MWp utilizando um sistema de coleta de 20 kV, demonstrou que a falha do equipamento de manobra foi responsável por apenas 21 TP3T do tempo total de inatividade, mas causou 301 TP3T dos eventos de interrupção mais longos. Especificamente, um disjuntor a vácuo (VCB) defeituoso no painel de distribuição levou 48 horas para ser substituído, paralisando 12 MW de geração. Essa experiência ressalta que, embora o equipamento de manobra seja altamente confiável, as consequências de suas falhas são desproporcionalmente graves.

Principais funções além da comutação

• Interrupção por falha: Eliminação de curto-circuitos em até 60 ms para proteger transformadores.
• Medição: Alojamento para transformadores de corrente (TCs) e transformadores de tensão (VTs) para medição de energia com precisão comercial.
• Comunicação do relé de proteção: Envio de sinais de falha via protocolo IEC 61850 para o sistema SCADA da planta.

Configurações principais: Barramento único vs. Anel principal

A escolha entre uma única barra de distribuição e uma unidade de distribuição em anel (RMU) depende do tamanho da usina, dos requisitos de disponibilidade e das restrições de custo. Para usinas com potência inferior a 25 MW, uma configuração com uma única barra de distribuição e um único alimentador de entrada é comum devido ao menor investimento inicial. No entanto, isso cria um ponto único de falha; se a barra de distribuição falhar, toda a usina se desconecta da rede.

Para usinas maiores, recomendo uma configuração em anel onde cada alimentador pode ser alimentado por duas direções. Em um projeto de 2021 no Texas, utilizamos uma topologia em anel que nos permitiu isolar uma seção de cabo danificada sem interromper a geração do restante da usina (60%). O processo de isolamento levou 3 horas, enquanto um projeto com barramento único teria exigido uma paralisação completa da usina por 8 horas.

Comparação de configurações

Esquemas de proteção e coordenação de retransmissão

A coordenação da proteção em uma usina fotovoltaica é singular, pois a contribuição da corrente de falta dos inversores é limitada a aproximadamente 1,1 a 1,5 vezes a corrente nominal, diferentemente dos geradores síncronos, que podem contribuir com 5 a 6 vezes. Isso significa que os relés de sobrecorrente (ANSI 50/51) são frequentemente ineficazes para detectar faltas na rede. Em vez disso, utilizo proteção diferencial (ANSI 87) para transformadores e proteção direcional contra sobrecorrente para faltas na rede.

Em um teste de comissionamento realizado em 2022, injetamos correntes de teste secundárias no relé para verificar os valores de atuação. A atuação do relé 51P foi configurada em 1,2 A (secundário) com um tempo de atuação de 0,3 segundos, disparando em 450 ms para uma atuação de 10 vezes. No entanto, para faltas no lado do inversor, utilizamos relés de subtensão (ANSI 27) e sobretensão (ANSI 59) com um retardo de 500 ms para evitar o ilhamento.

Elementos Essenciais de Proteção

1. ANSI 87T: Proteção diferencial de transformadores contra faltas internas fase-fase.
2. ANSI 50N/51N: Proteção contra falhas de terra utilizando transformadores de corrente balanceados no núcleo.
3. ANSI 81O/U: Proteção contra sobre/subfrequência para atender aos requisitos de autonomia da rede elétrica.
4. ANSI 25: Verificação de sincronismo para o fechamento do disjuntor principal.

Dados de testes de campo e comissionamento

A comissionação de painéis de média tensão exige testes rigorosos de injeção primária e secundária. Em meu projeto recente no Chile, realizamos um teste de injeção primária em um disjuntor de 35 kV utilizando um equipamento de teste de 2000 A. O disjuntor disparou com 1,05 vezes a corrente nominal em 20 ms, confirmando a precisão da unidade de disparo. Também realizamos um teste de integridade a vácuo, que mediu um nível de vácuo de 1,2 x 10⁻⁷ mbar, bem dentro da faixa aceitável.

Um teste crucial que muitas vezes é negligenciado é o teste de descarga parcial (DP). Utilizamos um sensor TEV (Tensão Transitória de Terra) para detectar atividade de descargas parciais nas terminações dos cabos. Em um projeto de 2020, esse teste identificou uma terminação defeituosa que teria falhado em até 6 meses. A substituição custou 1.500.000, enquanto uma falha catastrófica teria custado cerca de 120.000.000 em perda de geração e substituição de equipamentos.

Lista de verificação padrão para comissionamento

• Inspeção visual para detecção de contaminação ou conexões soltas.
• Teste de megômetro (resistência de isolamento) a 5kV, valor mínimo de 1 GΩ.
• Teste de resistência de contato (micro-ohmímetro), máximo 150 µΩ.
• Teste de temporização do disjuntor (abertura/fechamento em 50 ms).
• Teste funcional de todos os relés auxiliares e alarmes.

Conformidade com os Códigos e Normas da Rede Elétrica

Os painéis de média tensão para usinas fotovoltaicas devem estar em conformidade com IEC 62271-200 para painéis de distribuição e controle CA com invólucro metálico. Esta norma define o teste de arco interno, que garante que, em caso de falha interna, o invólucro proteja o pessoal. Sempre verifico se o painel de distribuição passou no teste de arco interno a 20 kA por 0,3 segundos, conforme a especificação do projeto. Para uma solução completa, o Painel de distribuição de alta tensão PV 10-35kV foi projetado para atender a esses requisitos rigorosos.

Os requisitos de conexão à rede são regidos por normas nacionais de rede, como a norma americana IEEE 1547 ou a norma europeia EN 50549-1. Essas normas exigem curvas específicas de tolerância a quedas de tensão e frequência. Por exemplo, um painel de distribuição de 35 kV deve permanecer conectado durante uma queda de tensão para 0,15 V por unidade durante 150 ms. Os relés de proteção devem ser configurados para permitir essa tolerância à falha sem desarmar, o que requer uma coordenação cuidadosa com os controles do inversor. A integração do painel de distribuição com a rede elétrica é um aspecto fundamental. Subestação fotovoltaica integrada inteligente pré-fabricada Simplifica essa coordenação ao fornecer um esquema de proteção unificado e testado em fábrica.

Para distribuição a jusante, o painel de média tensão conecta-se perfeitamente com o Painel de distribuição CA de 400 V para sistema fotovoltaico de baixa tensão, garantindo uma cadeia de energia completa, do inversor à rede. Além disso, o gerenciamento adequado dos cabos e a conexão correta ao painel de distribuição são cruciais; utilizando um sistema confiável estrutura de montagem fotovoltaica fixa de coluna única e estaca única A disposição dos cabos minimiza a interferência ao nível do solo com o seu percurso, reduzindo o risco de danos acidentais aos cabos de média tensão.

Para fins de referência oficial, a Comissão Eletrotécnica Internacional fornece a estrutura para testes de equipamentos de manobra, e a Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) publica pesquisas extensivas sobre a integração de usinas fotovoltaicas à rede elétrica. Além disso, Instituto de Pesquisa de Energia Elétrica (EPRI) Oferece diretrizes sobre a confiabilidade de equipamentos de média tensão que consulto em todos os projetos.