Lavoro collaborativo di dispositivi di protezione da sovratensione, interruttori automatici e fusibili negli impianti fotovoltaici: analisi funzionale e discussione sulla necessità
Introduzione
Con il rapido sviluppo dell'industria fotovoltaica globale, la sicurezza e la stabilità dei sistemi di generazione di energia solare sono diventate un punto focale dell'attenzione del settore. I sistemi fotovoltaici sono esposti all'esterno per lunghi periodi e sono vulnerabili a minacce quali fulmini, fluttuazioni della rete elettrica e guasti alle apparecchiature, che possono causare danni o persino incendi. I dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD), gli interruttori automatici e i fusibili sono dispositivi di protezione fondamentali che svolgono ciascuno la propria funzione e collaborano tra loro per garantire il funzionamento sicuro del sistema. Questo articolo analizzerà in dettaglio le loro funzioni, i meccanismi di coordinamento e la loro necessità, fornendo un riferimento per gli operatori del settore.
I. Il "killer invisibile" che minaccia gli impianti fotovoltaici
Le centrali fotovoltaiche sono come "guerrieri d'acciaio" che lavorano all'aria aperta, sottoponendosi costantemente a prove severe di vario genere.
1.1 Problemi legati ai fulmini:
In particolare, in Medio Oriente e nel Sud-est asiatico, una sola stagione di temporali può paralizzare i sistemi privi di protezione.
1.2 Fluttuazioni della rete elettrica:
Nel progetto cileno di cui ero responsabile, diverse apparecchiature si sono bruciate a causa di un improvviso aumento della tensione di rete.
1.3 Rischio di cortocircuito:
L'anno scorso, in un progetto in Germania, si è verificato un cortocircuito dovuto all'usura dei cavi, che ha quasi provocato un incendio.
Questi rischi non sono un'esagerazione. Secondo l'International Photovoltaic Safety Alliance, oltre il 60% dei guasti agli impianti fotovoltaici è dovuto a una protezione elettrica inadeguata.
II. Funzioni principali dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD)
2.1 Principio di funzionamento
Il dispositivo di protezione da sovratensione (SPD) devia le sovratensioni transitorie verso terra tramite varistori a ossido di metallo (MOV) o tubi a scarica di gas (GDT), limitando la tensione entro un intervallo di sicurezza. Negli impianti fotovoltaici, gli SPD vengono generalmente installati nelle seguenti posizioni:
Lato CC (tra i moduli e l'inverter): per proteggere dalle sovratensioni causate dai fulmini.
Lato CA (tra l'inverter e la rete): per sopprimere le sovratensioni provenienti dalla rete.
2.2 Parametri chiave
Tensione operativa continua massima (Uc): deve corrispondere al livello di tensione dell'impianto fotovoltaico (ad esempio 1000 V CC o 1500 V CC).
Corrente di scarica (In/Iimp): indica la capacità di scaricare la corrente di fulmine; i sistemi fotovoltaici in genere richiedono 20 kA o superiori.
Livello di protezione della tensione (su): determina l'entità della tensione residua e deve essere inferiore alla tensione di tenuta dell'apparecchiatura protetta.
2.3 Necessità
Evitate che apparecchiature costose come inverter e quadri di combinazione vengano danneggiate dalle sovratensioni.
Rispettare gli standard internazionali (come IEC 6164331, UL 1449) e i requisiti di accettazione per le centrali fotovoltaiche.
III. Funzionamento e selezione di interruttori automatici e fusibili
3.1 Interruttore automatico
Funzione:
•Protezione da sovraccarico: quando la corrente supera il valore impostato (ad esempio 1,3 volte la corrente nominale), interviene il meccanismo di protezione termica.
•Protezione da cortocircuito: il meccanismo di sgancio elettromagnetico interrompe la corrente di cortocircuito (ad esempio 10 kA) in pochi millisecondi.
•Caratteristiche applicative del fotovoltaico:
È necessario selezionare un interruttore automatico CC dedicato (ad esempio CC 1000V/1500V).
La capacità di interruzione deve corrispondere alla corrente di cortocircuito del sistema (tipicamente ≥ 15 kA).
3.2 Fusibile
Funzione:
Grazie alla fusione dell'elemento fusibile, è possibile isolare rapidamente il circuito difettoso e proteggere il ramo collegato in serie.
Vantaggi:
La velocità di disconnessione è più elevata (nell'ordine dei microsecondi), adatta a scenari con correnti di cortocircuito elevate.
È di piccole dimensioni e adatto a scatole di derivazione con spazio limitato.
3.3 Collaborazione con SPD
Il dispositivo SPD è responsabile della protezione dalle sovratensioni, mentre gli interruttori automatici/fusibili di protezione sono responsabili della protezione dalle sovracorrenti.
Quando il dispositivo di protezione da sovratensione (SPD) si guasta a causa di una sovratensione, gli interruttori automatici o i fusibili di protezione possono interrompere tempestivamente il circuito difettoso per prevenire incendi.
IV. Studio di caso di un sistema di protezione multilivello
Prendiamo come esempio una centrale fotovoltaica da 1 MW:
4.1 Protezione sul lato CC
Derivazioni in serie dei componenti: installare fusibili (ad esempio, fusibili da 10 A di tipo gPV) per ciascuna serie.
Ingresso della scatola di combinazione: installare SPD di tipo II (fino a 1,5 kV) e interruttore automatico CC (63 A).
4.2 Protezione sul lato CA
Uscita dell'inverter: configurare SPD di tipo 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) e interruttore automatico scatolato (250 A).
4.3 Simulazione di scenari di guasto
In caso di fulmine: il dispositivo di protezione da sovratensione (SPD) scarica la corrente di picco e mantiene la tensione al di sotto di 2 kV; se l'SPD si guasta a causa di un cortocircuito, l'interruttore automatico scatta.
In caso di cortocircuito sulla linea: il fusibile si fonde entro 5 ms per impedire la propagazione dell'effetto termico puntiforme.
V. Precauzioni per la selezione e l'installazione
5.1 Selezione SPD
Per il lato CC, è necessario selezionare un SPD specifico per il fotovoltaico (come un PVSPD) per evitare il problema della corrente inversa tipico degli SPD CA standard.
Occorre considerare un margine di temperatura (Uc deve lasciare un margine in ambienti ad alta temperatura).
5.2 Abbinamento interruttore/fusibile
La capacità di interruzione deve essere superiore alla corrente di cortocircuito massima del sistema (ad esempio, la corrente di guasto della stringa può raggiungere 1,5 kA).
La corrente nominale del fusibile deve essere superiore a 1,56 volte la corrente di cortocircuito (Isc) del componente (in conformità con NEC 690.8).
5.3 Suggerimenti per l'integrazione del sistema
La lunghezza del cavo tra il dispositivo di protezione da sovratensione (SPD) e l'interruttore automatico deve essere ≤ 0,5 m per ridurre la tensione residua.
È necessario effettuare ispezioni periodiche degli indicatori di stato dell'SPD e sostituire tempestivamente i moduli guasti.
IV. Tendenze del settore e aggiornamenti degli standard
•Richiesta di alta tensione: con la diffusione dei sistemi fotovoltaici a 1500 V, è necessario incrementare in modo sincronizzato i livelli di tensione di tenuta dei dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) e degli interruttori automatici.
• Monitoraggio intelligente: i dispositivi di protezione individuale (SPD) intelligenti che integrano sensori di temperatura e funzioni di comunicazione wireless vengono gradualmente applicati per ottenere un allarme tempestivo a distanza in caso di guasti.
•Rinforzo degli standard: la nuova versione della norma IEC 62548:2023 ha imposto requisiti di coordinamento più rigorosi per i dispositivi di protezione degli impianti fotovoltaici.
Conclusione
Nei sistemi fotovoltaici, i limitatori di sovratensione, gli interruttori automatici e i fusibili costituiscono un sistema di protezione "tensione-corrente" completo e integrato. La corretta selezione e configurazione di questi componenti non solo prolunga la durata utile delle apparecchiature e riduce i costi di esercizio e manutenzione, ma rappresenta anche una condizione essenziale per garantire la sicurezza operativa delle centrali elettriche. Con lo sviluppo tecnologico, l'integrazione e l'intelligenza di questi dispositivi di protezione miglioreranno ulteriormente l'affidabilità dei sistemi fotovoltaici in futuro.