Tipos de cabos solares: fio fotovoltaico, cabos USE-2 e CA explicados

A distinção que define entre os tipos de cabos solares é se eles são projetados para serem enterrados diretamente no conjunto fotovoltaico CC ou para a interconexão CA entre o inversor e a rede elétrica. O fio fotovoltaico (UL 4703) é o único tipo de cabo classificado para enterramento direto e exposição contínua à luz solar no conjunto CC, com classificação úmida de 90 °C e classificação seca de 150 °C, tornando-o obrigatório para sistemas inversores sem transformador não aterrados operando a 1.000 ou 1.500 volts DC. O cabo USO-2, embora ainda listado para enterramento direto, não possui a classificação total de resistência à luz solar e a altura livre de temperatura mais alta que os modernos conjuntos de alta tensão exigem.

As quatro principais categorias de cabos solares

Um sistema fotovoltaico contém zonas elétricas distintas, cada uma regida por um tipo de cabo específico e um conjunto correspondente de requisitos de instalação de acordo com o Artigo 690 do Código Elétrico Nacional (NEC). Os quatro tipos de cabos que aparecem em um sistema adequadamente projetado desde o conjunto até o ponto de interconexão são os seguintes.

O fio fotovoltaico, listado na UL 4703 e na norma UL 4703, é um cabo de condutor único com isolamento de polietileno reticulado (XLPE) e uma jaqueta externa resistente à luz solar. Está classificado para 600 V, 1.000 V ou 2.000 V dependendo da espessura do isolamento, com a variante de 2.000 V especificada para conjuntos de escala utilitária de 1.500 VCC. O isolamento XLPE proporciona estabilidade termofixa, o que significa que o cabo mantém sua rigidez dielétrica e propriedades mecânicas mesmo após exposição prolongada à temperatura operacional máxima do condutor de 90°C úmido e 150°C seco. O condutor de cobre estanhado, trançado conforme ASTM B174 Classe B ou C, resiste aos efeitos corrosivos da umidade que permeia o isolamento ao longo de décadas de serviço. O fio fotovoltaico é o único cabo na indústria solar que transporta um Classificação de chama VW-1 e classificação de enterro direto simultaneamente, satisfazendo tanto os requisitos de segurança contra incêndio em instalações em telhados quanto os requisitos de roteamento subterrâneo em sistemas de coleta CC montados no solo.

O cabo USE-2, construído de acordo com UL 854 e reconhecido pelo Artigo 338 da NEC, é um cabo de condutor único classificado para entrada de serviço subterrâneo. Ele usa Isolamento XLPE idêntico em química ao fio fotovoltaico, mas aplica uma capa mais espessa e robusta projetada para suportar a abrasão mecânica de puxar através de conduítes subterrâneos e contato direto com a terra. Sua tensão nominal é limitada a 600 V e a temperatura máxima do condutor é 90°C úmido e 90°C seco , uma limitação crítica em comparação com o fio fotovoltaico. A ausência de uma classificação seca de 150°C significa que o USE-2 não pode ser usado ao ar livre dentro de um conjunto de telhado onde as temperaturas da folha traseira do módulo atingem rotineiramente 75°C a 85°C e o aumento da temperatura do condutor sob carga total empurra o isolamento para o território de sobrecarga térmica.

O cabo TC-ER, com classificação de passagem exposta do cabo da bandeja, serve como tronco de coleta CC entre a caixa combinadora e a entrada do inversor ou entre vários inversores de string em uma configuração de ligação em série. TC-ER é um conjunto multicondutor, normalmente três condutores mais terra, com isolamento interno de PVC e revestimento externo de náilon ou PVC. Está classificado para 600 V e 90°C seco , e sua listagem permite o roteamento em bandeja de cabos sem conduíte para o trecho exposto. A construção multicondutor simplifica a fiação em comparação com a tração de cabos individuais de condutor único, mas a capa de PVC se degrada sob a radiação ultravioleta, portanto o TC-ER deve ser fechado quando instalado ao ar livre sob luz solar direta.

O fio de construção THHN/THWN-2, embora não seja um cabo solar dedicado, aparece no lado CA da saída do inversor até o painel de serviço principal ou ponto de interconexão da concessionária. Avaliado 600 V e 90°C seco, 75°C wet , com uma capa de náilon sobre isolamento de PVC, é econômico, amplamente disponível e compatível com o código para toda a fiação CA interna a jusante do inversor. Sua resistência à luz solar é zero e não possui listagem direta para enterramento, portanto seu uso é estritamente limitado a canais internos, conduítes e painéis combinadores CA fechados.

Tabela de especificações comparativas para tipos de cabos solares

Seleção da classe de tensão e transição de 1.500 V

A mudança de arquiteturas de sistema de 1.000 VCC para 1.500 VCC em usinas fotovoltaicas de grande porte reduz a corrente de coleta CC em aproximadamente um terço para o mesmo rendimento de energia, reduzindo o número de caixas combinadoras, alimentadores CC e valas associadas em uma proporção semelhante. No entanto, a tensão mais elevada impõe requisitos de isolamento mais rigorosos. Um conjunto de 1.500 VCC exige fio fotovoltaico classificado para 2.000 VCC , não 1.000 VCC. A espessura do isolamento em um fio fotovoltaico de 2.000 V é aproximadamente 2,4 mm para condutores 10 AWG, em comparação com 1,14 mm para a variante de 1.000 V . Essa maior espessura da parede reduz a flexibilidade do cabo e aumenta o raio de curvatura mínimo, um fator que complica o gerenciamento de fios nas caixas de junção dos módulos e nos gabinetes CC do inversor.

A norma IEC 62930, aplicada globalmente fora da América do Norte, harmoniza os requisitos de desempenho para cabos fotovoltaicos de 1.500 V. Especifica uma resistência de isolamento mínima de 10 MΩ·km a 20°C , um valor verificado durante os testes de produção na fábrica em cada bobina antes do envio. O teste de campo do fio fotovoltaico de 1.500 V instalado com um megôhmetro de 5.000 V deve produzir valores de resistência de isolamento não inferiores a 4 MΩ por corda antes do string ser conectado ao inversor, uma porta de comissionamento que identifica danos de instalação na jaqueta ou vedações do conector MC4 crimpadas incorretamente.

Redução de temperatura e correção de ampacidade

As tabelas de ampacidade no Artigo 310.15 da NEC assumem uma temperatura ambiente de 30°C e não mais do que três condutores condutores de corrente em uma pista. Um sistema de coleta solar DC viola rotineiramente ambas as suposições. Em um telhado em Phoenix, Arizona, onde a temperatura do ar ambiente 12 polegadas acima da superfície do telhado atinge 65°C em uma tarde de verão, o fator de correção de temperatura para fio fotovoltaico com classificação de 90°C é 0.58 de acordo com a Tabela NEC 310.15(B)(1)(1). Um fio fotovoltaico de 10 AWG com uma ampacidade de 30°C de 40 amperes é, portanto, reduzido para 23,2 amperes a 65°C. Se esse mesmo fio for agrupado com três outras cadeias condutoras de corrente em um conduíte por uma distância superior a 24 polegadas, um fator de ajuste adicional de 0.80 aplica-se, reduzindo ainda mais a ampacidade permitida para 18,6 amperes.

O resultado é que um condutor de 10 AWG, que à primeira vista parece generosamente superdimensionado para uma corrente de string de 9 A, está operando a quase 50% de sua capacidade reduzida após correções de temperatura e agrupamento . A prática de engenharia para sistemas de telhado especifica 10 AWG como o tamanho mínimo do fio fotovoltaico para interconexões de módulos, com 8 AWG necessário para condutores domésticos que atendem a mais de duas cadeias, uma regra prática derivada dos dados de temperatura do telhado do pior caso, em vez de um padrão fixo.

Química de isolamento e a vantagem do XLPE

O material de isolamento diferencia um cabo solar de um fio de construção de uso geral mais do que qualquer outro atributo. XLPE, o polietileno reticulado usado em fios fotovoltaicos e USE-2, é um material termofixo, o que significa que as cadeias poliméricas são reticuladas quimicamente durante o processo de cura. Uma vez reticulado, o material não pode derreter ou fluir quando aquecido. Um fio fotovoltaico exposto a uma temperatura de condutor de 150°C mantém sua forma física e rigidez dielétrica, enquanto um fio THHN isolado com PVC na mesma temperatura amoleceria, fluiria e criaria um curto-circuito interno.

O processo de reticulação, obtido por cura por umidade à base de silano ou irradiação por feixe de elétrons, também melhora a resistência do isolamento ao fluxo frio sob compressão. Quando um fio fotovoltaico é preso entre a estrutura do módulo e o trilho de montagem, o isolamento XLPE resiste ao conjunto compressivo que afinaria a parede de isolamento de PVC ao longo do tempo. A espessura da parede retida após 1.000 horas de carga compressiva a 90°C é normalmente de 85% a 90% da espessura original para XLPE, em comparação com 60% ou menos para PVC . Esta propriedade é essencial em um conjunto fotovoltaico onde os grampos do módulo e os clipes de fio aplicam pontos de pressão localizados que persistem durante a vida útil projetada de 25 anos do sistema.

Compatibilidade do conector e padrão MC4

O próprio cabo solar é apenas o condutor; a terminação do conector é o ponto de falha no nível do sistema. O padrão da indústria é o conector MC4, originalmente desenvolvido pela Multi-Contact e agora fabricado sob licença por mais de uma dúzia de fornecedores globais. O MC4 é classificado para Corrente contínua de 1.500 VCC e 30 A com fio fotovoltaico de 4 mm² ou 6 mm² (12 AWG a 10 AWG) , e mantém uma classificação de proteção de entrada de IP68 quando acoplado, o que significa que suporta submersão contínua em 1 metro de água.

A regra crítica para confiabilidade é a homogeneidade do conector: os conectores macho e fêmea em uma única cadeia devem ser do mesmo fabricante. O acoplamento de um conector Amphenol H4 com um Staubli MC4 genuíno, apesar de sua compatibilidade física e listagem UL, introduz um risco de corrosão galvânica na interface de contato porque os metais básicos e as espessuras do revestimento são diferentes. A resistência de contato resultante, medida por um miliohmímetro de quatro fios, pode começar em um nível aceitável 0,5 miliohms mas pode subir para 5 miliohms ou mais dentro de três anos do ciclo térmico, ponto em que o aquecimento I²R no conector excede a temperatura circundante do cabo e acelera a oxidação. Falhas de campo atribuídas a conectores incompatíveis são a reivindicação de seguro mais comum em sistemas residenciais de telhados.

Requisitos de condutor de aterramento e ligação de equipamentos

O condutor de aterramento do equipamento (EGC) em um painel solar serve como caminho de retorno da corrente de falha e deve ser dimensionado para transportar toda a corrente de curto-circuito do painel sem exceder sua temperatura nominal. A Tabela NEC 250.122 rege o dimensionamento do EGC com base na classificação do dispositivo de proteção contra sobrecorrente, mas para inversores sem transformador onde a detecção de falta à terra CC está integrada, um EGC não menor que o maior condutor do circuito CC é recomendado pelas melhores práticas de engenharia, mesmo quando um tamanho menor é permitido pelo código. Um fio fotovoltaico 10 AWG usado como condutor positivo CC não aterrado deve ser acompanhado por um mínimo 10 AWG EGC , dimensionado de acordo com 690,45 do NEC.

Para o lado CA, o EGC entre o inversor e o painel de serviço principal é normalmente um condutor THHN/THWN-2 com isolamento verde, dimensionado de acordo com a Tabela 250.122 com base na classificação de proteção de sobrecorrente de saída CA do inversor. Um disjuntor de saída do inversor de 40 A requer um EGC de cobre mínimo 10 AWG . O EGC não é um condutor condutor de corrente em operação normal, mas deve ser capaz de conduzir toda a corrente de falta à terra durante o tempo necessário para que o dispositivo de sobrecorrente elimine a falta, uma duração normalmente inferior a 0,1 segundos para os modernos disjuntores limitadores de corrente.

Gerenciamento de cabos e proteção contra exposição UV

Mesmo os fios fotovoltaicos resistentes à luz solar requerem proteção física contra arestas vivas, danos à vida selvagem e degradação UV concentrada em pontos de tensão. Os cabos em um arranjo montado no solo são roteados através de uma bandeja de cabos metálica ou de polietileno de alta densidade (HDPE), fixada com abraçadeiras de aço inoxidável em intervalos que não excedam 1,5 metros . As abraçadeiras não devem comprimir excessivamente o isolamento; uma tensão de amarração que exceda a especificação do fabricante pode fazer o isolamento XLPE fluir a frio e reduzir a espessura da parede no ponto de amarração em 50% dentro de um único ciclo térmico.

Em instalações em telhados, o fio fotovoltaico deve ser apoiado na superfície do telhado por clipes de cabo ou canais de gerenciamento de fios integrados à estrutura do módulo. O contato direto entre a capa do cabo e as telhas asfálticas transfere calor da superfície do telhado para o cabo, elevando a temperatura do condutor em uma estimativa 5°C a 10°C acima da temperatura do ar ambiente , uma margem que pode elevar a temperatura do condutor além de sua classificação úmida de 90°C quando combinada com corrente de carga total e alta radiação da camada traseira do módulo. O cabo também deve ser direcionado para evitar água parada nos pontos baixos do telhado, onde os ciclos de congelamento e degelo tensionam a camisa através de repetidas expansões e contrações de formações de gelo.