How a Solar EPC Firm Reduced DC-Side Failures by 45% with SWM100 MCB

Contexto do cliente

Um empreiteiro regional de EPC solar sediado no Sudeste Asiático gerencia 17 instalações fotovoltaicas em telhados comerciais e industriais, variando de 500 kW a 2,4 MW. A empresa também presta serviços de operação e manutenção (O&M) para quatro usinas solares de propriedade de terceiros. Com mais de 38.000 módulos fotovoltaicos sob gestão, a equipe de engenharia da empresa há muito se concentrava na disponibilidade dos inversores, mas começou a observar um número crescente de falhas no lado CC — dentro das caixas combinadoras e dos dispositivos de proteção em nível de string.

Os contratos de serviço da empresa incluíam garantias rigorosas de tempo de atividade. Cada parada não planejada do lado CC acionava cláusulas de penalidade e colocava em risco as negociações de renovação. No início de 2024, as falhas relacionadas ao CC representavam 60% de todos os chamados técnicos. O diretor de operações, com 12 anos de experiência em gestão de ativos fotovoltaicos, descreveu a situação como “um vazamento silencioso de confiabilidade” que corroía constantemente tanto as margens quanto a confiança dos clientes.

Desafios e pontos de dor

A maioria das usinas afetadas havia sido comissionada entre 2018 e 2021 com disjuntores em miniatura de categoria CA usados para proteção de strings CC — um atalho comum no mercado solar em expansão da região. Sob carga normal, esses disjuntores tinham desempenho adequado, mas durante eventos de baixa irradiância ou sombreamento parcial, os níveis de tensão dos strings podiam ultrapassar 600 V, e os disjuntores desarmavam sem uma falha real. Sempre que ocorria uma falha real de arco CC, os disjuntores demoravam a extinguir a falha e, em dois incidentes, os contatos se soldaram, permitindo uma corrente de falha sustentada que danificou a caixa combinadora e a fiação adjacente.

Após esses incidentes, a empresa de EPC mudou para um MCB CC de baixo custo importado de um distribuidor regional. Isso resolveu o problema da soldagem, mas introduziu uma nova série de problemas: disparos intempestivos causados pela sensibilidade térmica sob altas temperaturas ambiente (acima de 40 °C) e uma alta taxa de falhas durante os ensaios de resistência de isolamento. Ao longo de seis meses, a equipe substituiu 23 disjuntores com falha em toda a sua frota. Peças de reposição e mão de obra de deslocamento acrescentaram US$ 14.000 aos custos operacionais, enquanto a produção de energia perdida com interrupções prolongadas elevou o impacto financeiro total para mais de US$ 32.000.

O problema técnico central era claro: os disjuntores CC padrão não tinham o desempenho de extinção de arco nem as características de derrateamento térmico necessários para a operação contínua ao ar livre em climas tropicais. A empresa precisava de um dispositivo capaz de lidar com a dinâmica do arco CC e com operações repetidas de manobra sem se degradar.

Por que o disjuntor em miniatura SWM100?

A equipe de engenharia avaliou três opções no início de 2024: atualizar para um disjuntor CC industrial de classificação mais alta de uma marca europeia, adicionar proteção de string baseada em fusíveis ou adotar o MCB SWM100 da SINGI. A solução europeia oferecia desempenho robusto, mas custava 2,5 vezes o valor unitário e tinha um prazo de entrega de 14 semanas — lento demais para as janelas de manutenção que a empresa teria em breve.

O MCB SWM100 da SINGI destacou-se por três motivos. Primeiro, é projetado especificamente para aplicações de corrente contínua de até 100 A por polo e classificado para níveis de tensão de sistema de até 1000 V CC, o que correspondia às configurações de string de toda a frota da empresa. Segundo, seu projeto de extinção de arco utiliza uma pilha de placas divisórias e um campo de sopro magnético otimizado, uma configuração validada em estudos de simulação de arco para MCBs CC. Esse detalhe de engenharia deu à equipe confiança em sua capacidade de extinguir falhas — algo que os disjuntores de baixo custo anteriores não tinham. Terceiro, o MCB SWM100 atende tanto à IEC 60947-2 quanto à IEC 60898-2, abrangendo tanto a distribuição de energia industrial quanto as instalações fotovoltaicas.

Os testes de campo também inclinaram a decisão. A empresa de EPC instalou oito unidades SWM100 em uma usina de telhado de 1,2 MW com conhecida exposição a altas temperaturas. Após oito semanas de monitoramento contínuo, os disjuntores não apresentaram disparos intempestivos, e a resistência de contato permaneceu estável em menos de 150 µΩ — uma melhoria clara em relação à leitura típica de 280 µΩ do produto regional após quatro semanas.

Processo de implementação e aplicação

A implantação começou em março de 2024 e levou 11 semanas. O projeto teve quatro etapas principais:

• Auditoria do local e mapeamento de strings: Para cada planta, a equipe mediu a tensão em circuito aberto, a corrente de curto-circuito, os comprimentos de cabo e os perfis de temperatura ambiente nas caixas combinadoras. Esses dados foram usados para escolher a configuração de polos e a curva de disparo corretas do SWM100.
• Cronograma de substituição controlado: As substituições foram programadas para coincidir com a manutenção preventiva dos inversores, a fim de evitar paradas adicionais. Em média, cada caixa combinadora levou 45 minutos para ser atualizada, incluindo verificações de torque e verificação da resistência de isolamento.
• Validação da redução térmica: Seis unidades foram equipadas com termopares temporários para comparar a elevação de temperatura interna a plena carga com as curvas de derating da ficha técnica. As temperaturas medidas ficaram 9 °C abaixo do limite superior especificado para um ambiente de 45 °C.
• Treinamento de operadores: As equipes locais de O&M receberam uma sessão de meio dia sobre o comportamento de falhas de arco CC e a escolha adequada de disjuntores, com foco em por que os disjuntores CA falham em circuitos CC e em como ler o status de disparo do SWM100 sem se exporem a partes energizadas.

O maior desafio foi adaptar caixas combinadoras mais antigas que usavam espaçamentos de trilho DIN não padronizados. Em duas caixas, o layout de barras coletoras existente não permitia montar o SWM100 sem perfurar novamente. A equipe resolveu isso usando uma placa adaptadora pré-fabricada fornecida pelo suporte técnico da SINGI, o que acrescentou um dia de prazo, mas evitou cortar qualquer barra coletora energizada.

Resultados de aplicação e resultados quantificados

Nove meses após a primeira instalação do MCB SWM100, os resultados são mensuráveis em toda a frota:

• Incidentes de falha no lado CC caíram 45% — de uma média de 14,2 eventos por trimestre para 7,8 eventos.
• Custos de deslocamento para manutenção e de peças de reposição caíram 32%, economizando cerca de US$ 21.000 nos primeiros oito meses após a atualização.
• O tempo médio de eliminação de falhas melhorou de 270 ms para menos de 60 ms, com base em capturas de forma de onda de duas plantas onde ocorreram falhas de string durante a avaliação
• A disponibilidade da frota subiu de 98,6% para 99,4%, o que permitiu à empresa de EPC cumprir sua garantia de disponibilidade pelo quarto trimestre consecutivo e eliminou potenciais custos de penalidade de $8.400.

O benefício secundário foi uma análise de causa raiz mais simples. Com menos desarmes indevidos e desempenho térmico estável, a equipe de manutenção pôde atribuir com confiança os alarmes a problemas reais no nível de string (por exemplo, PID, conector danificado ou entrada de água), em vez de questionar o próprio dispositivo de proteção.

Depoimento do cliente

“O MCB SWM100 é o primeiro disjuntor CC que instalamos e depois esquecemos . Nossos técnicos não carregam mais disjuntores de reposição em cada chamada de serviço, e o comportamento térmico é consistente mesmo ao meio-dia sob sol pleno”, afirma o diretor de operações. “Éramos céticos quanto a uma marca nova, mas o desempenho de extinção de arco e a documentação de conformidade com a IEC facilitaram a troca. O retorno sobre o custo unitário mais alto veio em menos de cinco meses.”

Lições e insights

Três conclusões deste projeto se aplicam a qualquer organização que opere sistemas de distribuição CC:

• Não use disjuntores com valor nominal CA em circuitos CC. O mecanismo físico de interrupção do arco é diferente. Como demonstrado pela pesquisa sobre a dinâmica dos arcos, os arcos CC têm uma corrente sustentada que exige divisão ativa do arco e sopro magnético, algo que apenas um MCB CC projetado especificamente pode oferecer.
• Escolha os disjuntores com base na temperatura real de operação, não nos valores de catálogo. Muitos disjuntores CC de baixo custo carecem de dados adequados de derating térmico, o que provoca desarmes indevidos em climas quentes. Sempre solicite as curvas de ensaio ou realize um pequeno piloto antes de uma implantação em toda a frota.
• Elabore um cronograma de substituição de disjuntores durante janelas de manutenção planejadas. Adaptar dispositivos de proteção durante operações energizadas introduz riscos desnecessários. A decisão da equipe de combinar a atualização do SWM100 com a manutenção dos inversores reduziu o tempo de parada por comutação em 60% em comparação com um programa de substituição independente.

Se o projeto fosse refeito, a equipe de engenharia insistiria em revisar as medições de resistência de contato do disjuntor em 500 operações como parte do piloto. Esses dados, agora disponíveis a partir do primeiro lote de unidades SWM100, fornecem uma linha de base útil para prever o comportamento no fim da vida útil e programar a substituição proativa.

Referências

• IEC 60947-2. Aparelhagem de baixa tensão – Parte 2: Disjuntores [S]. 2019. https://webstore.iec.ch/publication/62482
• IEC 60898-2. Acessórios elétricos – Disjuntores para proteção contra sobrecorrente em instalações domésticas e similares – Parte 2: Disjuntores para operação em c.c. [S]. 2019. https://webstore.iec.ch/publication/62493
• Simulation Study on Arc Motion Process of DC Miniature Circuit Breakers. https://doi.org/10.1063/5.0174184