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Detecção de faltas de CC em estações de recarga de CA
Veículos elétricos e estações de recarga são sistemas distintos – até o instante em que o veículo é conectado a uma estação de recarga. A partir dessa conexão, correntes de falta em corrente contínua podem, em princípio, impedir a correta atuação dos dispositivos de proteção DR da instalação de corrente alternada. O artigo focaliza os requisitos normativos da IEC e os principais critérios de proteção aplicáveis.
Robert Ewendt, da Phoenix Contact E-Mobility (Alemanha)
Edição: EM Agosto 2017 Ano 45 No 520
Embora veículos elétricos (VEs) possam atualmente ser recarregados com corrente contínua em postos públicos, recomenda-se para as instalações domésticas a clássica recarga com corrente alternada no período noturno. Desde que a edificação residencial ou comercial disponha de rede trifásica, é possível encurtar em algumas horas o tempo de recarga para potências de corrente alternada de até 22 kW.
[N. da R.: Este artigo reflete a expe20 EM AGOSTO, 2017 riência da Alemanha, país que já conta com mais de 20 000 pontos de recarga de veículos elétricos. Dados estatísticos detalhados sobre a infraestrutura e a frota de VEs na Europa podem ser consultados no site do European Alternative Fuels Observatory (www.eafo.eu), uma iniciativa da Comissão Europeia.]
Além disso, a instalação de uma estação de recarga de corrente alternada nesses ambientes é mais econômica do que a aquisição de uma estação de corrente contínua. Para recarga em CA, o veículo elétrico é conectado à rede de distribuição do prédio e representa uma carga complexa.
A instalação predial consiste geralmente de um sistema aterrado. Os componentes elétricos são construídos para CA e providos de condutores de proteção (PE). Conforme a topologia da rede, eles são ligados direta ou indiretamente ao condutor neutro (N). Correntes de falta são detectadas pelos dispositivos de proteção e o circuito é desligado.
Do ponto de vista eletrotécnico, um veículo elétrico pode ser considerado um sistema autárquico similar a um sistema IT (neutro isolado). A primeira falta num sistema IT não causa fluxo de corrente, porque o condutor vivo não está em contato com a terra. No veículo, essas faltas são geralmente sinalizadas por um dispositivo supervisor de isolamento (DSI), antes de que uma segunda falta possa causar perigo.
Proteção de pessoas e instalações
Quando um veículo elétrico é conectado à estação de recarga de CA por meio da tomada normalizada, forma-se um sistema aterrado (figura 1). A carroceria do veículo — a massa — assume o potencial PE da instalação predial. De um lado, essa conexão é exigida por norma para proteção de pessoas e da instalação. De outro, uma falta interna no veículo — por exemplo, uma falta em corrente contínua — pode ser transferida para a instalação do prédio. Contudo, componentes elétricos do lado de corrente alternada suportam correntes de falta em corrente contínua com certas limitações.
Normalmente, dispositivos de proteção diferencial-residual (DR) em instalações prediais são dimensionados para correntes de falta alternadas senoidais e correntes de falta contínuas pulsantes. Correntes contínuas puras somente são admissíveis até um certo valor limite normativo de poucos miliamperes. Se esse valor for ultrapassado, a característica de disparo dos dispositivos DR do sistema sofre alterações negativas e sua função de proteção é prejudicada.
O princípio bastante simples dos dispositivos DR praticamente não se modificou em mais de 100 anos: ele consiste de um núcleo toroidal com duas bobinas. Quando o enrolamento primário é percorrido por corrente contínua, o núcleo de ferro é saturado. Nessas condições, torna-se difícil variar o fluxo magnético. Portanto, mesmo na presença de uma possível corrente de falta alternada, não há tensão induzida no enrolamento secundário e o dispositivo não dispara.
Corrente de carga não é corrente de falta
Veículos elétricos geralmente dispõem de correção de fator de potência (PFC, na sigla em inglês), a fim de satisfazer os requisitos de compatibilidade eletromagnética prescritos por norma. Em caso de falha de isolamento — causada, por exemplo, por degradação do material isolante — a saída do módulo de PFC pode injetar corrente contínua na instalação predial por meio do condutor PE e da massa do veículo. Conforme a topologia da eletrônica do carregador, isso também pode ocorrer em sistemas desacoplados, porque o módulo de PFC costuma ser instalado antes da separação galvânica. Os circuitos equivalentes simplificados (figura 2) demonstram que com um carregador monofásico já pode surgir corrente de falta contínua. Com um carregador trifásico essa característica se torna mais evidente: uma eventual corrente de falta não passa pelo eixo zero.
De acordo com a norma IEC 60755 [1], correntes de falta contínuas pulsantes em redes com frequência nominal de 50/60 Hz devem ter contato com o ponto zero por no mínimo 8,3 ms. Como tal exigência não pode ser satisfeita no presente caso, ambos os tipos de falta são classificados como faltas de corrente contínua.
Um dispositivo DR tipo A conforme IEC 61008-1 [2] e IEC 61009-1 [3] pode detectar, além de correntes de falta alternadas, também correntes de falta contínuas com frequência nominal. A norma define, porém, que os dispositivos sejam dimensionados para uma superposição de correntes de falta contínuas de no máximo 6 mA. Ultrapassado esse limite, ocorre a referida pré-magnetização do núcleo de ferro. Caso estejam previstas correntes de falta contínuas, devem ser instalados dispositivos DR tipo B, que são sensíveis a todos os tipos de corrente.
No tipo B, há dois sistemas internos de detecção, sendo que a avaliação e o desligamento correspondentes aos requisitos do tipo A devem ser independentes da rede. Já para detecção de faltas em corrente contínua é necessária, por razões físicas, uma fonte de tensão. Ela é provida por todos os condutores da rede, sendo a eletrônica alimentada por uma fase com cerca de 50 V. Deste modo, o dispositivo DR tipo B é uma combinação do clássico transformador de corrente toroidal com uma eletrônica suplementar para responder às faltas de corrente contínua. Tais faltas podem também ser detectadas por sensores especiais separados, que podem ser fornecidos sob encomenda.
Consoante IEC 61851-1 [4], estações de recarga devem conter no mínimo uma proteção DR tipo A por ponto de recarga. Caso sejam esperadas correntes de falta contínuas, devem ser instalados dispositivos DR tipo B — ou tipo A providos de sensores adequados, capazes de detectar correntes contínuas acima de 6 mA. Esta medida impede interferências na atuação de dispositivos tipo A instalados a montante.
Escalonar corretamente as proteções
Além da seleção correta dos dispositivos DR, o escalonamento adequado das proteções na instalação predial é um ponto importante. Um dispositivo DR tipo B não deve ficar a montante de um dispositivo tipo A, porque este último pode então ser sobrecarregado com altas correntes de falta contínuas. Dispositivos tipo B são dimensionados para correntes diferenciais residuais nominais de 30 mA. Portanto, um dispositivo tipo A a jusante pode ser sobrecarregado com um valor de corrente contínua cinco vezes superior ao limite de 6 mA estabelecido por norma, o que torna incerta a detecção de faltas de corrente alternada.
Fig. 1 – Possível percurso da corrente de falta em CC durante a recarga de um veículo elétrico
Fig. 2 – Circuitos equivalentes simplificados e possíveis correntes de falta com carregador monofásico (à esquerda) e trifásico (à direita) de veículos elétricos
Em princípio é suficiente um dispositivo DR tipo B para uma estação de recarga, desde que a instalação do sistema como um todo seja considerada. Todavia, um dispositivo tipo B é mais oneroso, e pode custar de oito a 10 vezes mais que o tipo A equivalente.
Fig. 3 – a) Módulo EV RCM com sensor e controle de recarga para aplicações domiciliares; b) Esquema simplificado de uma estação de recarga para aplicação comercial, com supervisão separada de dois pontos de recarga
Também já estão disponíveis dispositivos de proteção DR específicos para e-mobilidade, dotados de característica de disparo tipo A e eletrônica integrada para detecção de faltas em corrente contínua.
Mediante um sensor, correntes de falta contínuas são detectadas e transmitidas para um dispositivo de supervisão de corrente residual (RCM, na sigla em inglês). O sensor protege o dispositivo DR tipo A instalado a montante contra correntes de falta contínuas inadmissíveis, e interrompe o processo de recarga. Adicionalmente, o sensor pode ser conectado a um sistema de automação por meio de interfaces.
Módulos de supervisão de corrente residual (RCM) sensíveis a todos os tipos de corrente foram especialmente desenvolvidos para aplicação em colunas de recarga de corrente alternada, conforme ilustram as fotos de abertura. Eles detectam correntes de falta alternadas e contínuas, de acordo com IEC 62752 [5] e IEC 60364-7-722 [6]. Combinados com dispositivos DR tipo A, eles representam uma proteção adicional para a recarga do veículo elétrico. Com esses módulos é possível utilizar dispositivos DR tipo A, mais econômicos, e dispensar os dispositivos tipo B.
A figura 3a mostra o módulo EV RCM básico, com um sensor, para aplicações domésticas, enquanto a figura 3b exibe a variante EV RCM para detecção de correntes de falta contínuas em dois pontos de recarga de CA separados. A supervisão por meio de dois sensores aumenta a disponibilidade dos pontos de recarga no âmbito comercial e público, e representa uma solução mais compacta.
IEC 61008-1:2010+AMD1:2012+AMD2:2013 CSV Residual current operated circuit-breakers without integral overcurrent protection for household and similar uses (RCCBs) Part1: General rules. [ABNT NBR NM 61008-1:2005]
IEC 61009-1:2010+AMD1:2012+AMD2:2013 CSV Residual current operated circuit-breakers with integral overcurrent protection for household and similar uses (RCBOs) Part 1: General rules.
IEC 61851-1:2017 Electric vehicle conductive charging system Part 1: General requirements. [ABNT NBR IEC 61851:2013]
IEC 62752:2016 In-cable control and protection device for mode 2 charging of electric road vehicles (IC-CPD).
IEC 60364-7-722:2015 Low-voltage electrical installations Part 7-722: Requirements for special installations or locations Supplies for electric vehicle.