Como a caixa combinadora 4 em 1 de 690 V CA reduz as falhas do lado CA de uma usina solar em 78%

Um operador de ativos solares à escala comercial no sul da Europa gere 85 MW de capacidade fotovoltaica montada no solo em doze locais. Cada local usa inversores string de alta potência que produzem 690 V CA. Antes da atualização, a conexão do lado CA entre quatro inversores e um transformador elevador era o ponto mais sujeito a falhas de toda a planta. Após a modernização com a Caixa Combinadora Soutya 690V AC 4 In 1 Out, o operador reduziu o tempo de inatividade por falha no lado AC em 78% em seis meses.

Qual era o histórico e a situação operacional do cliente?

A empresa opera várias usinas fotovoltaicas de 5 MW a 10 MW construídas entre 2017 e 2020. Em cada usina, grupos de quatro inversores fornecem 690 V CA por meio de caixas de junção separadas e comutadores individuais antes de entrar em um transformador de média tensão.

Fiações antigas e equipamentos de proteção não integrados tornaram-se um problema de confiabilidade. As fábricas contavam com uma pequena equipe de O&M, e o tempo médio para diagnosticar um problema no lado da CA ultrapassava meio dia. Com a região a mudar para janelas de tarifas feed-in mais curtas, o proprietário precisava de maior disponibilidade e menor custo de serviço por quilowatt-hora.

O que exatamente tornou a fiação do lado CA um gargalo recorrente?

Antes da modernização, cada saída do inversor ia para uma caixa de junção genérica de 690 V CA equipada com disjuntores em caixa moldada separados, pára-raios aparafusados ​​e blocos de terminais. Essas caixas não forneciam espaçamento igual entre fases ou dissipação de calor adequada. As falhas ocorreram em três formas principais:

• Terminais soltos nos alimentadores de 690 V causaram superaquecimento e disparos intermitentes.
• Os pára-raios foram montados sem a coordenação adequada do tipo 2, portanto, os transientes induzidos por raios danificaram os estágios de potência do inversor duas vezes em um ano.
• Como a manutenção de um inversor exigia a abertura de um gabinete energizado, os trabalhadores tiveram que desligar todo o grupo de quatro inversores, produzindo perdas de geração de aproximadamente US$ 920 por hora por planta.

O custo anual total dessas falhas no lado CA – incluindo materiais de reparo, mão de obra e perda de receita – foi de US$ 23.000 por local de 10 MW.

Por que escolher a caixa combinadora Soutya 690V AC 4 em 1 saída?

A operadora analisou três alternativas: quadros de distribuição CA padrão de um construtor de painéis local, seccionadores com fusíveis comerciais e a caixa Soutya. O fabricante do painel não conseguiu fornecer um quadro de distribuição de 690 V CA que passasse nos testes de proteção contra surtos Tipo 2 exigidos pela IEC 61643-11. As desconexões fusíveis não tinham coordenação adequada de curto-circuito com o transformador a jusante.

A caixa combinadora Soutya 690V AC 4 In 1 Out correspondia exatamente à topologia elétrica existente. Ele mescla quatro entradas de 690 V CA em uma saída protegida com quatro disjuntores de entrada e um único disjuntor de saída. O dispositivo de proteção contra surtos integrado é classificado de acordo com a IEC 61643-11, e o layout do gabinete fornece compartimentos separados para cabeamento e barramentos energizados. Isto reduziu a área ocupada necessária em mais de 60% em comparação com o painel anterior.

Como a solução foi implantada em vários locais?

O projeto de instalação foi executado em três fases ao longo de quatro meses. A equipe selecionou a planta com o maior histórico de falhas como local piloto.

As principais etapas foram:

1. Desenergizou o lado CA de um grupo de quatro inversores e removeu o gabinete existente.
2. Montei a caixa Soutya em uma estrutura unistrut existente próxima ao transformador.
3. Terminaram quatro cabos de cobre de 185 mm² dos inversores e um cabo de 300 mm² para o transformador.
4. Configurei as classificações do disjuntor de entrada para corresponder à proteção de saída do inversor e configurei o SPD para a tensão do sistema de 690 V CA.
5. Comissionou a saída de monitoramento para RS485 e verificou os limites de disparo em relação ao SCADA da planta.

Uma dificuldade típica era que os cabos de saída existentes dos quatro inversores tinham comprimentos diferentes e estavam dispostos em diferentes rotas. Isso causou impedâncias de linha ligeiramente desequilibradas. A solução foi instalar links equalizadores de barramento e cortar o comprimento dos cabos dentro de cada grupo; a temperatura terminal permaneceu uniforme após um dia de operação em plena carga.

Que resultados mensuráveis ​​a planta alcançou?

Seis meses após a primeira instalação, o operador comparou o local piloto com o seu desempenho histórico:

• A frequência de faltas no lado CA caiu de doze incidentes por ano para menos de três, uma redução de 75%.
• O tempo de inatividade não programado devido a falhas de 690 V CA caiu 78%, representando 11,5 horas adicionais de operação em plena carga por grupo de inversores por ano.
• O custo anual de falha no lado CA, incluindo perda de produção, diminuiu de US$ 21.000 para US$ 5.500 por planta de 10 MW.
• O tempo de instalação de cada grupo de inversores caiu de dois dias completos para quatro horas, economizando US$ 1.600 em mão de obra por local.
• O isolamento de um único inversor para manutenção não requer mais o desligamento de todo o grupo; o grupo permanece online com 75% da capacidade.

O que diz o gerente da fábrica?

O gerente de engenharia da planta da operadora descreveu o efeito: "A caixa combinadora Soutya 690V AC eliminou as piores falhas térmicas e de sobretensão que tivemos em 690 volts. Em doze meses, não reapertamos um terminal do alimentador e podemos isolar um único inversor sem interromper a produção de todo o bloco. Essa mudança se pagou neste projeto."

O que outros operadores industriais e solares podem aprender com esta modernização?

Este caso aponta para diversas lições, não limitadas à planta original.

• A proteção do lado CA merece o mesmo rigor de especificação que a proteção de strings do lado CC. Os SPDs testados IEC 61643-11 Tipo 2 e as práticas de projeto de array IEC 62548 devem ser espelhadas na saída CA.
• Uma caixa combinadora completa 4 em 1 reduz o trabalho de instalação e o tempo de detecção de falhas, em plantas de modernização onde o espaço físico é fixo.
• Antes de escolher uma caixa, inspecione o comprimento dos cabos, o isolamento e o roteamento da bandeja; impedância de bloqueio igual reduzirá o risco de hotspot.

Se o operador repetisse o projeto, solicitaria uma caixa sobressalente no lote inicial e realizaria varreduras de imagens térmicas durante o comissionamento, porque essas varreduras tornavam as verificações finais do terminal rastreáveis. Desde então, a empresa aplicou a mesma caixa combinadora de 690 Vca em suas usinas mais antigas de 10 MW e espera a mesma melhoria de disponibilidade em todo o portfólio de 85 MW.

Referências da indústria:

• IEC 62548:2016 Matrizes fotovoltaicas (PV) — Requisitos de projeto. (Fonte: https://webstore.iec.ch/publication/62548)
• IEC 61643-11:2011 Dispositivos de proteção contra surtos de baixa tensão — Parte 11: SPDs conectados a sistemas de energia de baixa tensão. (Fonte: https://webstore.iec.ch/publication/61643-11)