Protezione da sovratensioni CC

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni CC (DC SPD) limitano le sovratensioni transitorie e reindirizzano in modo sicuro le correnti di picco verso terra. In condizioni normali, rimangono ad alta impedenza. Durante un picco, passano a bassa impedenza, deviando la corrente in eccesso e ripristinandosi automaticamente dopo l'evento per fornire una protezione continua contro le sovratensioni CC.

R: La durata di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni CC dipende dal numero e dall'intensità delle sovratensioni a cui è sottoposto. Si consiglia di effettuare ispezioni regolari per verificare la presenza di segni di usura o indicatori di fine vita. La sostituzione preventiva degli SPD garantisce una protezione continua contro le sovratensioni CC e previene danni alle apparecchiature.

R: Sì, gli SPD CC sono adatti a un'ampia gamma di applicazioni, dagli impianti solari residenziali alle reti elettriche CC industriali. La scelta del tipo e della potenza nominale appropriati garantisce una protezione efficace contro le sovratensioni CC su misura per ogni ambiente.

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) forniscono protezione contro sovratensioni e picchi elettrici, compresi quelli causati direttamente e indirettamente dai fulmini.

In luoghi soggetti a frequenti fulmini, gli impianti fotovoltaici non protetti subiranno danni ripetuti e significativi. Ciò comporta costi di riparazione e sostituzione elevati, tempi di inattività del sistema e perdita di guadagni.

Dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) correttamente installati ridurranno al minimo il potenziale impatto dei fulmini.

Le apparecchiature elettriche sensibili degli impianti fotovoltaici, come gli inverter CA/CC, i dispositivi di monitoraggio e gli array fotovoltaici, devono essere protette da dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD).

Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD) è progettato per impedire che picchi di tensione ad alta energia raggiungano apparecchiature sensibili e causino potenziali danni.

Se progettato correttamente, come funziona un SPD in un sistema CC?

L'accumulo di tensione eccessiva (superiore alla tensione nominale dell'apparecchiatura) viene impedito grazie alla scarica controllata di energia tra i conduttori CC o CA interessati.

Se sull'SPD è presente un collegamento di terra, l'SPD monitora anche la differenza di tensione tra la terra e gli altri conduttori.

Se necessario, l'energia viene scaricata per evitare differenze di tensione eccessive, come nel caso di un picco di tensione. Affinché ciò funzioni correttamente, il percorso verso terra deve essere a bassa resistenza.

Gli SPD non sono in grado di proteggere da sovratensioni prolungate per diversi secondi o minuti. Ciò deve essere prevenuto mediante un corretto dimensionamento del sistema.

1. Assicurarsi che il sistema e l'SPD abbiano un collegamento a terra efficiente e a bassa resistenza.

2. Abbina il dispositivo di protezione contro le sovratensioni agli ingressi dell'apparecchiatura di conversione dell'alimentazione che desideri proteggere assicurandoti che “U_c”La tensione indicata nella scheda tecnica del dispositivo di protezione contro le sovratensioni è pari o leggermente superiore (preferibilmente da 0 a 10 V) alla tensione continua massima sui conduttori da proteggere o alla tensione massima nominale delle apparecchiature elettriche collegate.

Se l'SPD “U_c”Se il valore nominale di tensione è ben superiore al valore nominale massimo di tensione dell'apparecchiatura collegata, non è più in grado di proteggere efficacemente dai picchi di tensione. L'SPD proteggerà i dispositivi o le apparecchiature attivandosi ben al di sopra della tensione massima di funzionamento continuo “U"._c” e non interferirà a tensioni inferiori a “U_c”.

3. LSP raccomanda di proteggere almeno l'ingresso fotovoltaico del regolatore di carica o dell'inverter/caricabatteria e, se si utilizza una rete elettrica pubblica, di proteggere anche l'ingresso CA.

4. Se utilizzato sui conduttori fotovoltaici, assicurarsi che il dispositivo di protezione contro le sovratensioni sia classificato per tensioni CC; se utilizzato sull'ingresso CA, assicurarsi che l'SPD sia classificato per tensioni CA.

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni aiutano a ridurre i tempi di inattività causati dalle sovratensioni. Negli impianti fotovoltaici, gli SPD devono soddisfare requisiti specifici per garantire il funzionamento continuo e la produzione di energia.

Quando si progetta un impianto fotovoltaico, è importante considerare l'installazione di dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD). Le sovratensioni e i disturbi di rete possono causare tempi di inattività, riducendo le prestazioni dell'impianto.

Pertanto, nella progettazione dell'impianto elettrico è necessario tenere conto di tutte le condizioni che influiscono sulla generazione e sulla distribuzione dell'energia.

I pannelli solari sono installati all'esterno per convertire l'energia solare in elettricità. Questa posizione all'aperto li espone direttamente a condizioni climatiche avverse come pioggia, vento e polvere. Tra le condizioni meteorologiche, i fulmini richiedono particolare attenzione in quanto possono compromettere gravemente la sicurezza e le prestazioni di un impianto fotovoltaico.

Hanno origine in una nube cumulonembo e terminano al suolo. Quando il fulmine colpisce il suolo, scarica energia, influenzando il campo elettrico al suolo. Per l'impianto fotovoltaico questo comporta due rischi:

• Un impatto diretto che può distruggere fisicamente l'impianto solare installato su un tetto.
• Sovratensioni transitorie che attraversano i cavi tramite accoppiamento magnetico, che possono causare danni a componenti sensibili come i circuiti stampati (PCB).

Per quanto riguarda l'impatto diretto, ‘External Lightning Protects’ (ELP) fornisce la protezione richiesta secondo la norma IEC 62305, che descrive come valutare se la vostra sede necessita di tale protezione e quale dovrebbe essere l'opzione preferibile (gabbie a maglia, terminale aereo, ecc.).

Il concetto è semplice: assicurarsi che il fulmine colpisca un'asta metallica installata nel punto più alto dell'impianto e dissipare l'energia direttamente nel terreno attraverso un conduttore di scarico in rame.

Quando si tratta di sovratensioni transitorie, tuttavia, sono necessari SPD. Questi dispositivi vengono installati in parallelo nei quadri di protezione dei circuiti per deviare l'energia verso terra e limitare la sovratensione a un valore accettabile per le apparecchiature finali.

Non appena viene installato un ELP in un impianto fotovoltaico, è obbligatorio installare anche un SPD. Se l'impianto fotovoltaico non è dotato di un ELP, si consiglia vivamente di installare un SPD per limitare le perturbazioni di rete (sovratensioni transitorie).

Per garantire che l'energia fluisca prima verso terra e limitare così le sovratensioni, il componente più importante è il varistore a ossido metallico (MOV).

Questo componente ha una tale proprietà che in condizioni normali (senza sovratensioni) la resistenza è sufficientemente elevata da non consentire il passaggio di correnti nominali attraverso di esso.

A partire da un determinato livello di sovratensione, la resistenza diminuirà rapidamente, aprendo il percorso verso terra e tornando alla normalità una volta dissipata l'energia.

Questo processo consente di limitare il livello di sovratensione che raggiunge tutte le apparecchiature collegate a valle.

Sono disponibili diversi tipi di SPD che variano in termini di resistenza: Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 1+2. Un SPD di Tipo 1 è in grado di sopportare un fulmine diretto che provoca un picco di energia, mentre il Tipo 2 limita le sovratensioni provenienti da varie fonti. Entrambe le caratteristiche possono essere combinate in un “Tipo 1+2” per una protezione completa.

Negli impianti fotovoltaici la sfida consiste nello scegliere la protezione contro le sovratensioni adeguata per resistere a correnti con forma d'onda pura 10/350 µs (quasi 10 volte più potenti di quelle con forma d'onda 8/20 µs di tipo 2) tenendo conto allo stesso tempo dello spazio disponibile.

In un inverter o in una scatola di derivazione lo spazio è sempre una priorità assoluta. Per massimizzare lo spazio disponibile, gli SPD di LSP sfruttano la profondità dell'involucro per componenti più resistenti con una maggiore profondità del dispositivo.

Con le nuove serie FLP-PV e SLP-PV, sia le schede di protezione dei circuiti CA che CC negli impianti solari possono essere protette dalle sovratensioni causate da fulmini o disturbi di rete.

I pannelli solari, come tutti i dispositivi elettronici, sono soggetti a picchi di tensione che possono danneggiare i componenti e aumentare i tempi di inattività. I dispositivi di protezione contro le sovratensioni possono aiutare a mantenere i sistemi in funzione e redditizi.

Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni aiuta a prevenire danni alle apparecchiature elettroniche deviando l'elettricità in eccesso dalla linea elettrica “calda” verso un cavo di messa a terra.

Nella maggior parte dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni, ciò si ottiene tramite un varistore a ossido metallico (MOV), un pezzo di ossido metallico collegato alle linee di alimentazione e di messa a terra tramite due semiconduttori.

Anche i pannelli solari sono dispositivi elettronici e quindi soggetti allo stesso potenziale di danneggiamento causato dai picchi di tensione. I pannelli solari sono particolarmente esposti ai fulmini a causa della loro ampia superficie e della loro collocazione in luoghi esposti, come i tetti o gli spazi aperti.

Se i pannelli solari vengono colpiti direttamente, i fulmini possono bruciare le apparecchiature o addirittura causare esplosioni, distruggendo l'intero sistema.

Ma gli effetti dei fulmini e di altre sovratensioni non sono sempre così evidenti. Gli effetti secondari di questi eventi possono interessare non solo componenti importanti come moduli e inverter, ma anche sistemi di monitoraggio, controlli dei tracker e stazioni meteorologiche.

La perdita di un modulo fotovoltaico comporterà solo la perdita di una stringa, mentre la perdita dell'inverter centrale comporterà la perdita della produzione di energia per una vasta sezione dell'impianto.

Poiché tutte le apparecchiature elettriche sono soggette a sovratensioni, sono disponibili SPD per tutti i componenti dei pannelli solari. Le versioni industriali di questi dispositivi utilizzano anche varistori a ossido di metallo (MOV) in combinazione con altre apparecchiature sofisticate per condurre le sovratensioni di picco a terra. Pertanto, gli SPD vengono generalmente installati dopo aver realizzato un sistema di messa a terra stabile.

Pensate a uno schema elettrico unifilare della vostra installazione e collegate in cascata i dispositivi SPD dal servizio di pubblica utilità alle apparecchiature dell'array, posizionate una protezione robusta sugli ingressi principali per proteggere da grandi transitori di sovratensione e unità più piccole lungo i percorsi critici fino al punto finale delle apparecchiature.

È necessario installare una rete SPD lungo tutta la distribuzione di energia CA e CC dell'impianto solare per proteggere i circuiti critici. Gli SPD devono essere installati sia sugli ingressi CC che sulle uscite CA degli inverter del sistema e devono essere disposti con riferimento alla terra su entrambe le linee CC positive e negative. La protezione CA deve essere disposta su ciascun conduttore di alimentazione verso terra. Anche i circuiti combinatori devono essere protetti, così come tutti i circuiti di controllo e persino i sistemi di tracciamento e monitoraggio, al fine di prevenire interferenze e perdita di dati.

Per quanto riguarda i sistemi commerciali e di grandi dimensioni, LSP suggerisce di utilizzare la regola dei 10 m. Per gli impianti con cavi CC di lunghezza inferiore a 10 m, la protezione contro le sovratensioni solari CC deve essere installata in un punto comodo, ad esempio sugli inverter, sulle scatole di combinazione o più vicino ai moduli solari. Per gli impianti con cavi CC di lunghezza superiore a 10 m, la protezione contro le sovratensioni deve essere installata sia all'estremità dell'inverter che a quella del modulo dei cavi.

Gli impianti solari residenziali con microinverter hanno cavi CC molto corti, ma cavi CA più lunghi. Un SPD installato sul quadro di combinazione può proteggere l'abitazione dai picchi di tensione dell'impianto. Un SPD sul quadro principale può proteggere l'abitazione dai picchi di tensione dell'impianto, oltre che da quelli provenienti dalla rete elettrica e da altre apparecchiature interne.

In sistemi di qualsiasi dimensione, gli SPD devono essere installati da un elettricista autorizzato in conformità con le raccomandazioni del produttore e le norme di installazione ed elettriche per massimizzare la sicurezza e l'efficacia.

È possibile adottare ulteriori misure, come l'aggiunta di terminali di terra per fulmini, per proteggere ulteriormente un impianto solare specificamente dai fulmini. Gli SPD non possono impedire danni fisici causati da fulmini diretti.

Le sovratensioni possono verificarsi negli impianti elettrici per vari motivi. Possono essere causate da:

• La rete di distribuzione a seguito di fulmini o di qualsiasi intervento effettuato.
• Fulmini (nelle vicinanze o su edifici e impianti fotovoltaici, oppure su parafulmini).
• Variazioni nel campo elettrico dovute ai fulmini.

Come tutte le strutture esterne, anche gli impianti fotovoltaici sono esposti al rischio di fulmini, che varia da regione a regione. È necessario predisporre sistemi e dispositivi di prevenzione e protezione.

La prima misura di sicurezza da adottare è un mezzo (conduttore) che garantisca il collegamento equipotenziale tra tutte le parti conduttive di un impianto fotovoltaico.

L'obiettivo è quello di collegare tutti i conduttori e le parti metalliche messe a terra, creando così un potenziale uguale in tutti i punti dell'impianto installato.

L è la somma di:

• la somma delle distanze tra gli inverter e le scatole di giunzione, tenendo conto che le lunghezze dei cavi situati nello stesso condotto vengono conteggiate una sola volta, e
• la somma delle distanze tra la scatola di derivazione e i punti di connessione dei moduli fotovoltaici che formano la stringa, tenendo conto che le lunghezze dei cavi situati nello stesso condotto vengono conteggiate una sola volta.

Ng è la densità dei fulmini ad arco (numero di fulmini/km2/anno).

Il numero e la posizione degli SPD sul lato CC dipendono dalla lunghezza dei cavi tra i pannelli solari e l'inverter. L'SPD deve essere installato in prossimità dell'inverter se la lunghezza è inferiore a 10 metri. Se è superiore a 10 metri, è necessario un secondo SPD che deve essere posizionato nella scatola vicino al pannello solare, mentre il primo si trova nella zona dell'inverter.

Per garantire l'efficienza, i cavi di collegamento dell'SPD alla rete L+ / L- e tra il blocco terminale di terra dell'SPD e la barra collettrice di terra devono essere il più corti possibile, ovvero inferiori a 2,5 metri (d1+d2<50 cm).

Generazione di energia fotovoltaica sicura e affidabile

A seconda della distanza tra la parte “generatore” e la parte “conversione”, potrebbe essere necessario installare due o più scaricatori di sovratensione per garantire la protezione di ciascuna delle due parti.

Quando un impianto fotovoltaico è situato in un sito industriale, anche le attività aziendali e le attrezzature sono a rischio. Gli inverter sono costosi, ma per le applicazioni industriali un guasto ancora più costoso è il costo dei tempi di inattività.

Quando un fulmine colpisce un impianto fotovoltaico, provoca una corrente e una tensione transitoria indotta all'interno dei circuiti elettrici dell'impianto stesso.

Queste correnti e tensioni transitorie appariranno ai terminali delle apparecchiature e potrebbero causare guasti all'isolamento e al dielettrico all'interno dei componenti elettrici ed elettronici dell'impianto fotovoltaico, quali i pannelli fotovoltaici, l'inverter, le apparecchiature di controllo e comunicazione, nonché i dispositivi presenti nell'impianto dell'edificio.

Il box dell'array, l'inverter e il dispositivo MPPT (maximum power point tracker) presentano i punti di guasto più elevati.

Per evitare che l'energia ad alta tensione attraversi i componenti elettronici e causi danni al sistema fotovoltaico, i picchi di tensione devono avere un percorso verso terra.

A tal fine, tutte le superfici conduttive devono essere collegate direttamente a terra e tutti i cavi in entrata e in uscita dal sistema (come i cavi Ethernet e quelli di alimentazione CA) devono essere collegati a terra tramite un dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD).

È necessario un dispositivo di protezione contro le sovratensioni per ciascun gruppo di stringhe all'interno della scatola dell'array, della scatola di combinazione e del sezionatore CC.

L'altezza, le forme appuntite e l'isolamento sono le caratteristiche dominanti che determinano dove colpisce un fulmine. È un mito che il metallo attiri i fulmini.

Tuttavia, è importante notare che, indipendentemente dalla posizione del parco fotovoltaico o dalla forma degli oggetti circostanti, gli SPD sono essenziali per ogni impianto fotovoltaico a causa della loro intrinseca suscettibilità ai fulmini diretti e indiretti.

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• la densità del lampo del round fulmineo;
• la temperatura di esercizio del sistema;
• la tensione del sistema;
• la corrente di cortocircuito nominale del sistema;
• il livello della forma d'onda da cui proteggersi (fulmini indiretti o diretti);
• la corrente di scarica nominale.

I requisiti SPD per un impianto protetto da un sistema di protezione contro i fulmini (LPS) esterno dipendono dalla classe selezionata dell'LPS e dal fatto che la distanza di separazione tra l'LPS e l'impianto fotovoltaico sia isolata o non isolata.

La norma IEC 62305-3 specifica i requisiti relativi alla distanza di separazione per un LPS esterno.

Per avere un effetto protettivo, il livello di protezione della tensione di un SPD (U_p) deve essere inferiore di 20 % rispetto alla rigidità dielettrica dell'apparecchiatura terminale del sistema.

È importante utilizzare un SPD con una corrente di cortocircuito sopportabile superiore alla corrente di cortocircuito della stringa del generatore solare a cui è collegato l'SPD.

L'SPD fornito sull'uscita CC deve avere un MCOV CC pari o superiore alla tensione massima del sistema fotovoltaico del pannello.

Quando il fulmine colpisce il punto A (vedi Figura 1), il pannello solare fotovoltaico e l'inverter potrebbero subire danni. Se il fulmine colpisce il punto B, solo l'inverter subirà danni.

Tuttavia, l'inverter è in genere il componente più costoso di un impianto fotovoltaico, motivo per cui è fondamentale selezionare e installare correttamente l'SPD adeguato sia sulla linea CA che su quella CC. Più il fulmine è vicino all'inverter, maggiore sarà il danno che subirà.

Le fonti fotovoltaiche hanno caratteristiche di corrente e tensione molto diverse rispetto alle tradizionali fonti di corrente continua: hanno una caratteristica non lineare e causano la persistenza a lungo termine degli archi accesi.

Pertanto, le fonti di corrente fotovoltaica non solo richiedono interruttori e fusibili fotovoltaici più grandi, ma anche un sezionatore per il dispositivo di protezione contro le sovratensioni che sia adatto a questa particolarità e in grado di gestire le correnti fotovoltaiche.

Gli SPD installati sul lato CC devono sempre essere progettati specificatamente per applicazioni CC. L'uso di un SPD sul lato CA o CC errato è pericoloso in condizioni di guasto.

Quando gli SPD vengono utilizzati sul lato CC, devono essere utilizzati anche sul lato CA a causa delle differenze di potenziale.

La protezione contro le sovratensioni è importante tanto per il lato CA quanto per il lato CC. Assicurarsi che l'SPD sia progettato specificamente per il lato CA.

Per una protezione ottimale, l'SPD deve essere dimensionato specificamente per il sistema. La scelta corretta garantirà la migliore protezione con la massima durata.

Sul lato CA, è possibile collegare più inverter allo stesso SPD se condividono la stessa connessione alla rete.

Gli SPD devono sempre essere installati a monte dei dispositivi che devono proteggere. La norma NFPA 780 12.4.2.1 stabilisce che la protezione contro le sovratensioni deve essere fornita sull'uscita CC del pannello solare dal positivo alla terra e dal negativo alla terra, sul combinatore e sulla scatola di combinazione per pannelli solari multipli e sull'uscita CA dell'inverter.

La corretta installazione di un SPD si basa su tre valori, che sono:

• Tensione massima di funzionamento continuo: la tensione che attiverà l'SPD.
• Livello di protezione della tensione: la categoria di sovratensione dell'apparecchiatura deve essere superiore al livello di protezione della tensione dell'SPD.
• Corrente di scarica nominale: il valore di picco della forma d'onda (8/20 μs per gli SPD di tipo 2) che l'SPD è in grado di sopportare dopo sovratensioni ripetute.

Cavi

I cavi degli impianti fotovoltaici sono spesso estesi su lunghe distanze per poter raggiungere il punto di connessione alla rete. Tuttavia, i cavi di lunghezza eccessiva non sono mai consigliabili e gli impianti fotovoltaici non fanno eccezione.

Questo perché l'effetto delle interferenze elettriche indotte dal campo e condotte causate dalle scariche dei fulmini aumenta in relazione all'aumentare della lunghezza dei cavi e delle bobine dei conduttori. Quando si verifica una sovratensione transitoria, qualsiasi caduta di tensione induttiva nei cavi di collegamento può indebolire l'effetto protettivo dell'SPD. Ciò è meno probabile se i cavi sono instradati in modo da essere il più corti possibile.

La tensione di picco è un fattore significativo che contribuisce al guasto dei cavi e ogni impulso su un cavo contribuisce al deterioramento della resistenza dell'isolamento del cavo stesso.

Se un picco di tensione viene immesso in un impianto fotovoltaico autonomo (un impianto lontano dalla rete elettrica), il funzionamento di qualsiasi apparecchiatura alimentata da energia solare, come le apparecchiature mediche o l'approvvigionamento idrico, potrebbe subire interruzioni.

La posizione e la quantità di SPD da installare sul lato CC dipendono dalla lunghezza del cavo tra i pannelli solari e l'inverter (vedere tabella).

Se la lunghezza è inferiore a 10 metri, è necessario un solo SPD, che deve essere installato nelle vicinanze dell'inverter. Se la lunghezza del cavo è superiore a 10 metri, installare un SPD nelle vicinanze dell'inverter e un secondo SPD nella scatola vicina al pannello solare.

Posa i cavi in modo tale da evitare grandi anelli conduttori. Le linee CA e CC e le linee dati devono essere posate insieme ai conduttori di collegamento equipotenziale lungo l'intero percorso per garantire che non si formino anelli conduttori a causa della posa su più stringhe o del collegamento dell'inverter alla connessione di rete.

Nota:

La lunghezza del cavo che collega un SPD al carico deve essere sempre la più breve possibile e non deve mai superare i 10 metri. Se la lunghezza del cavo è superiore a 10 metri, è necessario un secondo SPD. Maggiore è la distanza, maggiore è il riflesso dell'onda di fulmine.

Come combinare gli SPD con gli inverter

Gli impianti fotovoltaici sono costituiti da apparecchiature molto sensibili che necessitano di una protezione estesa. Poiché gli impianti fotovoltaici generano corrente continua (cc), gli inverter (necessari per convertire questa corrente da cc a ca) sono un componente essenziale per la loro produzione elettrica.

Sfortunatamente, gli inverter non solo sono altamente sensibili ai fulmini, ma sono anche incredibilmente costosi. La norma NFPA 780 12.4.2.3 richiede SPD aggiuntivi all'ingresso CC dell'inverter se l'inverter del sistema si trova a più di 30 metri dal combinatore o dalla scatola di combinazione più vicini.

Installare l'SPD tra i fusibili e l'inverter se sono presenti dispositivi di protezione delle stringhe (come fusibili, interruttori CC o diodi di stringa).

Conclusione

Utilizzare impianti fotovoltaici senza un'adeguata protezione contro le sovratensioni è più che rischioso: è imprudente.

Affinché i sistemi solari possano rappresentare il futuro di un mondo più verde, devono essere protetti.

I fulmini sono inevitabili e quindi è fondamentale proteggersi.

La vulnerabilità dei sistemi fotovoltaici ai fulmini, sia diretti che indiretti, implica che essi debbano essere costruiti con protezioni contro le sovratensioni affidabili e correttamente installate.