Selezione dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni per impianti fotovoltaici – Tipologie di SPD
La produzione di energia fotovoltaica (FV) è una fonte chiave di energia rinnovabile ed è economicamente molto competitiva rispetto alla produzione di energia tradizionale. I piccoli sistemi fotovoltaici distribuiti, come i pannelli solari sui tetti, stanno diventando sempre più diffusi. I sistemi fotovoltaici sui tetti prevedono la distribuzione sia in corrente alternata (AC) che in corrente continua (DC), con tensioni che possono raggiungere i 1500 V. Il lato in corrente continua, in particolare i pannelli fotovoltaici, può essere direttamente esposto ai fulmini nelle aree ad alto rischio, risultando quindi vulnerabile ai danni causati dai fulmini.
La protezione contro i fulmini per gli edifici si divide in protezione esterna (Sistema di Protezione contro i Fulmini, LPS) e protezione interna (Misure di Protezione contro le Sovratensioni, SPM), in base al rischio di fulmini. I Dispositivi di Protezione contro le Sovratensioni (SPD), come parte della protezione interna, proteggono dalle sovratensioni transitorie causate da fulmini atmosferici o manovre di commutazione. Gli SPD vengono installati all'esterno delle apparecchiature protette e funzionano principalmente nel seguente modo: in assenza di sovratensioni nel sistema di alimentazione, l'SPD non influisce in modo significativo sul normale funzionamento del sistema che protegge. Quando si verifica una sovratensione, l'SPD offre una bassa impedenza, deviando la corrente di sovratensione attraverso di sé e limitando la tensione a un livello di sicurezza. Una volta che la sovratensione è passata e qualsiasi corrente residua si è esaurita, l'SPD torna a uno stato di alta impedenza.
1. Posizione di installazione dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD)
La posizione di installazione dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD) viene determinata in base al grado di rischio di fulmini e al concetto di Zone di Protezione dai Fulmini (LPZ) definito nella norma IEC 62305. Le sovratensioni transitorie vengono progressivamente ridotte a un livello di sicurezza, che deve essere inferiore alla tensione di tenuta dell'apparecchiatura protetta. Come illustrato in figura, gli SPD vengono installati ai confini di queste zone, dando origine al concetto di protezione dalle sovratensioni multilivello utilizzato nei sistemi a bassa tensione. Per i sistemi fotovoltaici, l'obiettivo è impedire che le sovratensioni da fulmine penetrino attraverso i lati CA e CC, proteggendo così componenti critici come gli inverter.
2. Classi di prova dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD)
Secondo la norma IEC 61643-11, i dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD) sono classificati in tre categorie di prova in base al tipo di impulso di corrente di fulmine che sono progettati per sopportare. Le prove di tipo I (contrassegnate come T1) hanno lo scopo di simulare le correnti parziali di fulmine che possono essere condotte in un edificio. Queste prove utilizzano una forma d'onda 10/350 µs, come mostrato nella figura sottostante, e vengono tipicamente applicate al confine tra LPZ0 e LPZ1, ad esempio nei quadri di distribuzione principali o negli ingressi dei trasformatori di bassa tensione. Gli SPD per questo livello sono generalmente del tipo a commutazione di tensione, con componenti come tubi a scarica di gas o spinterometri (ad esempio, spinterometri a tromba o spinterometri in grafite).
I test di tipo II (T2) e di tipo III (T3) utilizzano impulsi di durata più breve. I dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD) di tipo II sono generalmente dispositivi di limitazione della tensione che utilizzano componenti come i varistori a ossido di metallo (MOV). Vengono testati con una corrente di scarica nominale utilizzando una forma d'onda di corrente di 8/20 µs (vedere la figura sottostante) e sono responsabili dell'ulteriore limitazione della sovratensione residua proveniente dal dispositivo di protezione a monte. I test di tipo III utilizzano un generatore di onde combinato con un impulso di tensione di 1,2/50 µs e un impulso di corrente di 8/20 µs (vedere la figura sottostante), simulando sovratensioni più vicine alle apparecchiature di utilizzo finale.
3. Tipo di connessione del dispositivo di protezione da sovratensione (SPD)
Esistono due modalità principali di protezione contro le sovratensioni transitorie. La prima è la protezione di modo comune (CT1), progettata per proteggere dalle sovratensioni tra i conduttori in fase e la terra di protezione (PE). I fulmini, ad esempio, possono introdurre tensioni elevate rispetto a terra in un sistema. La protezione di modo comune contribuisce a mitigare l'impatto di tali disturbi esterni, come i fulmini, come illustrato di seguito.
Il secondo tipo di protezione è la protezione differenziale (CT2), che protegge dalle sovratensioni tra il conduttore di linea (L) e il conduttore neutro (N). Questo tipo di protezione è particolarmente importante per far fronte a disturbi interni, come il rumore elettrico o le interferenze generate all'interno del sistema stesso, come mostrato nello schema seguente.
Implementando una o entrambe queste modalità di protezione, i sistemi elettrici possono essere meglio schermati da potenziali fonti di sovratensione, migliorando in definitiva la durata e l'affidabilità delle apparecchiature collegate.
È importante notare che la scelta delle modalità di protezione SPD deve essere coerente con il sistema di messa a terra presente. Nei sistemi TN, è possibile utilizzare entrambe le modalità di protezione CT1 e CT2. Tuttavia, nei sistemi TT, CT1 può essere applicato solo a valle di un RCD. Nei sistemi IT, in particolare quelli senza conduttore neutro, la protezione CT2 non è applicabile. Questo è un aspetto critico nei sistemi di distribuzione in corrente continua che utilizzano configurazioni di messa a terra IT. Ulteriori dettagli sono disponibili nella tabella sottostante.
4. Parametri chiave dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD)
Secondo lo standard internazionale IEC 61643-11, vengono definite le caratteristiche e le prove dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) collegati ai sistemi di distribuzione di energia a bassa tensione, come mostrato in Figura 7.
(1) Livello di protezione dalla tensione (su)
L'aspetto più importante nella scelta di un SPD è il suo livello di protezione da sovratensione (Up), che caratterizza le prestazioni dell'SPD nel limitare la tensione tra i terminali. Questo valore deve essere superiore alla tensione di blocco massima. Viene raggiunto quando la corrente che attraversa l'SPD è pari alla corrente di scarica nominale In. Il livello di protezione da sovratensione selezionato deve essere inferiore alla tensione di tenuta impulsiva Uw del carico. In caso di fulmini, la tensione ai capi dell'SPD viene generalmente mantenuta al di sotto di Up. Nei sistemi fotovoltaici in corrente continua, il carico si riferisce solitamente ai moduli fotovoltaici e agli inverter.
(2) Tensione operativa continua massima (Uc)
Uc è la tensione CC massima che può essere applicata in modo continuativo alla modalità di protezione SPD. Viene selezionata in base alla tensione nominale e alla configurazione di messa a terra del sistema e funge da soglia di attivazione dell'SPD. Per il lato CC degli impianti fotovoltaici, Uc deve essere maggiore o uguale a Uoc Max dell'array fotovoltaico. Uoc Max si riferisce alla tensione a circuito aperto più elevata tra i terminali di fase e tra il terminale di fase e terra nel punto designato dell'array fotovoltaico.
(3) Corrente di scarica nominale (in)
Questo è il valore di picco di una corrente con forma d'onda 8/20 μs che scorre attraverso l'SPD, utilizzata per i test di tipo II e per i test di precondizionamento di tipo I e Tipo IILa norma IEC richiede che il dispositivo di protezione da sovratensione (SPD) possa resistere ad almeno 19 scariche di corrente con forma d'onda 8/20 μs. Maggiore è il valore di In, maggiore è la durata del dispositivo di protezione da sovratensione, ma aumenta anche il costo.
(4) Corrente impulsiva (Iimp)
Definita da tre parametri: corrente di picco (Ipeak), carica (Q) ed energia specifica (W/R), questa corrente viene utilizzata in Tipo I test. La forma d'onda tipica è 10/350 μs.