Selezione dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni per impianti fotovoltaici - Installazione di SPD
1. Fattori che influenzano l'installazione dei dispositivi di protezione individuale (SPD)
Le sovratensioni negli impianti fotovoltaici (FV) sui tetti sono causate principalmente da fulmini diretti (sull'edificio o in prossimità dell'impianto fotovoltaico con protezione da sovratensione), da tensioni indotte da variazioni del campo elettrico dovute ai fulmini o da manovre di commutazione nelle reti di distribuzione di energia CA/CC. Per valutare la necessità di protezione da sovratensione e determinare la strategia di protezione appropriata, è necessario utilizzare come riferimento la tensione di tenuta all'impulso nominale (Uw) dell'apparecchiatura. Salvo diversa indicazione da parte di una valutazione del rischio, i dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) devono essere installati sia sul lato CC che sul lato CA dell'impianto fotovoltaico.
Tra i dispositivi all'interno di un impianto fotovoltaico che potrebbero richiedere protezione si annoverano:
Inverter, comprese le interfacce sia per il sistema CA a bassa tensione che per il sistema CC, array fotovoltaici, cablaggio interno dell'impianto fotovoltaico, componenti installati tra l'inverter e gli array fotovoltaici, come le scatole di giunzione; apparecchiature utilizzate per il monitoraggio e il controllo dell'impianto fotovoltaico.
Secondo la norma IEC 61643-12 e le relative sezioni della GB/T 21714, la selezione e l'installazione dei dispositivi di protezione contro i fulmini (SPD) per gli impianti fotovoltaici dipendono da molteplici fattori. Tra questi figurano la densità di fulmini a terra (NG) [1/km²·anno] o il numero medio di giorni di temporale all'anno (T), le caratteristiche del sistema di alimentazione a bassa tensione (ad esempio, linee aeree o cavi sotterranei) e la natura delle apparecchiature da proteggere, nonché l'eventuale presenza di un sistema di protezione contro i fulmini (LPS) esterno per proteggere l'impianto fotovoltaico dai fulmini diretti.
Se è presente un LPS esterno, i requisiti SPD sono influenzati dal livello di protezione (Classe) dell'LPS e dal mantenimento o meno della distanza di separazione richiesta (S) tra l'LPS e l'impianto fotovoltaico (LPS isolato o non isolato).
2. Influenza delle diverse configurazioni di LPS esterni sulla protezione contro i fulmini per i sistemi fotovoltaici
L'installazione di SPD per impianti fotovoltaici su tetto si suddivide generalmente in tre categorie, in base alla presenza e al tipo di LPS esterno:
(1) Sistemi fotovoltaici senza LPS esterno
Come illustrato nel diagramma (non incluso in questa sede), se l'edificio non è dotato di un sistema di protezione contro i fulmini esterno, è necessario installare dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) in base ai risultati di una valutazione del rischio di fulmini. Si raccomanda di installare dispositivi di protezione contro le sovratensioni sia sul lato CA che sul lato CC per proteggere i componenti fotovoltaici critici.
Per il lato CC, un SPD CC di tipo 2 (indicato come DC1) deve essere installato vicino alla scatola di giunzione fotovoltaica o all'impianto fotovoltaico (se non si utilizza una scatola di giunzione). Questo SPD protegge l'edificio dalle sovratensioni esterne trasmesse attraverso i cavi fotovoltaici e viene in genere installato subito dopo l'ingresso dei cavi fotovoltaici nell'edificio. Un altro SPD CC di tipo 2 (indicato come DC2) deve essere installato vicino all'ingresso CC dell'inverter. Se la lunghezza del cavo tra DC1 e l'inverter è inferiore a 10 metri, DC1 può essere omesso.
Per il lato CA, si raccomanda l'installazione di un SPD CA di tipo 2 (indicato come AC1) all'ingresso della rete CA, solitamente situato nel quadro di distribuzione principale. Questo dispositivo protegge dalle sovratensioni provenienti dalla rete elettrica. La necessità di AC1 in un sistema privo di protezione esterna contro i fulmini dipende dai risultati di una valutazione del rischio di fulmini. Per proteggere il costoso inverter, si installa in genere un SPD CA di tipo 2 (indicato come AC2) in prossimità dell'uscita CA dell'inverter. Se la lunghezza del cavo tra AC1 e AC2 è inferiore a 10 metri, AC2 può essere omesso. Per maggiori dettagli, consultare la tabella di configurazione.
(2) Sistemi fotovoltaici con LPS esterno che soddisfano la distanza di separazione richiesta (LPS isolato)
Come illustrato nel diagramma, quando un edificio è dotato di un sistema di protezione contro i fulmini esterno (come ad esempio aste o nastri di terminazione aerea) e l'impianto fotovoltaico sul tetto è protetto da tale sistema mantenendo un'adeguata distanza di separazione, si considera che l'impianto fotovoltaico sia dotato di un sistema di protezione contro i fulmini isolato. Anche in questo caso, tuttavia, è comunque necessaria l'installazione di dispositivi di protezione contro i fulmini (SPD).
Per i sistemi con un LPS isolato, la configurazione dell'SPD è simile a quella dei sistemi senza protezione contro i fulmini esterna. Un SPD CC di tipo 2 deve essere installato vicino al quadro di combinazione, oppure vicino al pannello fotovoltaico se non si utilizza un quadro di combinazione. Un altro SPD CC di tipo 2 deve essere posizionato vicino al lato CC dell'inverter e un SPD CA di tipo 2 vicino al lato CA dell'inverter. Tuttavia, poiché l'impianto fotovoltaico si collega sia in entrata che in uscita dall'edificio, è necessario anche un SPD CA di tipo 1 nel quadro di distribuzione CA principale, dove l'alimentazione di rete entra nell'edificio. Fare riferimento alla tabella di configurazione per istruzioni dettagliate sulla disposizione.
(3) Sistemi fotovoltaici con LPS esterno che non soddisfano la distanza di separazione richiesta (LPS non isolato)
Nei sistemi fotovoltaici su tetto, dove i pannelli sono troppo vicini al sistema di protezione contro i fulmini (LPS) esterno e non possono rispettare la distanza di sicurezza richiesta, tutte le parti metalliche del sistema fotovoltaico devono essere collegate all'LPS per garantire un corretto collegamento equipotenziale contro i fulmini. Questo è l'approccio comunemente utilizzato per la protezione contro i fulmini sui tetti. In questa configurazione, sia i cavi CA che CC vengono trattati come conduttori in parallelo nel sistema di collegamento equipotenziale, il che significa che possono essere direttamente interessati dalla corrente del fulmine. Per questo motivo, la norma IEC raccomanda l'utilizzo di dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) di Tipo 1, solitamente insieme a SPD di Tipo 2, nei punti chiave del sistema: dove i cavi fotovoltaici entrano nell'edificio e sia sul lato CA che sul lato CC di dispositivi importanti come l'inverter.
Come mostrato nello schema, DC1 deve essere installato il più vicino possibile alla scatola di giunzione, oppure vicino al pannello fotovoltaico se non è presente una scatola di giunzione. DC2 e AC2 devono essere posizionati vicino all'inverter per garantirgli una migliore protezione. Nella maggior parte dei casi, sono necessari sia AC1 (nel quadro elettrico principale) che AC2 (vicino all'inverter). Tuttavia, se l'inverter è installato all'interno del quadro elettrico principale e i due dispositivi condividono la stessa messa a terra, con cavi di lunghezza inferiore o uguale a 0,5 metri, AC2 potrebbe non essere necessario. Per istruzioni di installazione dettagliate, consultare la tabella.
1: Il cavo DC1 può essere omesso nelle seguenti condizioni: se la lunghezza del cavo tra DC1 e l'inverter è inferiore a 10 metri e il livello di protezione dalla tensione (Up) di AC2 è inferiore o uguale a 0,8 volte la tensione nominale di tenuta all'impulso (Uw) del pannello fotovoltaico; oppure se l'Up di AC2 è inferiore o uguale a 0,5 volte Uw e il conduttore PE (terra di protezione) è posizionato vicino ai cavi CC.
2: AC2 può essere omesso nelle seguenti condizioni: se la lunghezza del cavo tra AC1 e AC2 è inferiore a 10 metri; oppure se l'inverter e il quadro di distribuzione principale condividono lo stesso elettrodo di terra e i cavi di collegamento SPD non superano ciascuno 0,5 metri, ad esempio se l'inverter è installato all'interno del quadro principale.
3: Sezione minima dei conduttori di messa a terra degli SPD: Per gli SPD di tipo 2, la sezione del conduttore di messa a terra in rame non deve essere inferiore a 6 mm²; per gli SPD di tipo 1, non deve essere inferiore a 16 mm².
La scelta dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD) sul lato CC degli impianti fotovoltaici su tetto dipende principalmente dalla protezione dell'edificio dai fulmini e dal cablaggio dell'impianto. Secondo la tabella di configurazione e le norme IEC, dovrebbe sempre essere presente un dispositivo di protezione dalle sovratensioni sul lato CC dell'inverter. Tuttavia, ulteriori SPD in prossimità della scatola di giunzione – o in prossimità dei pannelli fotovoltaici in assenza di scatola di giunzione – sono necessari solo se il cavo tra i pannelli e l'inverter è più lungo di 10 metri.
Detto questo, non è così ovunque. In alcuni paesi, come la Germania, ad esempio, le regole sono praticamente l'opposto. Lì, la protezione contro le sovratensioni in corrente continua viene sempre installata proprio accanto ai pannelli fotovoltaici, ed è necessario aggiungerne un'altra vicino all'inverter solo se la lunghezza del cavo supera i 10 metri.