Energia Solare Fotovoltaica
Sezione 4 – Gli organi di manovra
Corso di ENERGETICA
A.A. 2014/2015
Docente: Prof. Renato Ricci
Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche
Definizioni (2)
Gli ORGANI DI MANOVRA sono dei dispositivi elettrici che garantiscono l’interruzione dell’impianto fotovoltaico per:
1. SEZIONAMENTO, al fine di eseguire lavori elettrici
2. INTERRUZIONE, per eseguire lavori non elettrici sulle apparecchiature
3. INTERRUZIONE DI EMERGENZA, di fronte al rischio di pericolo imminente
4. COMANDO FUNZIONALE, per aprire o chiudere un circuito al fine di svolgere una funzione.
Bisogna ricordare che un impianto fotovoltaico non può essere spento, in quanto in presenza di radiazione solare si
ha comunque il sistema sotto tensione; è così molto probabile che si debba operare in condizioni pericolose, quando
l’operazione inerisce tutta la parte sotto tensione del generatore. La norma CEI 11-27 riporta tutte le prescrizioni e le
procedure da adottare nei lavori sotto tensione.
I DISPOSITIVI si dividono in:
DISPOSITIVO GENERALE (DG) dell’impianto utilizzatore; ha lo scopo di separare l’impianto utilizzatore dalla
rete ed è posto a valle del gruppo di misura dell’energia. Si tratta di un Interruttore automatico idoneo al
sezionamento, eventualmente differenziale.
DISPOSITIVO DI INTERFACCIA (DDI) che separa l’impianto FV dal resto dell’impianto utilizzatore, su comando
del sistema di PROTEZIONE DI INTEFACCIA (PI).
DISPOSITIVO DEL GENERATORE (DDG) che assicura il sezionamento dell’impianto fotovoltaico o di una parte di
esso, come un sottocampo, in caso di guasto. In genere è un interruttore automatico oppure un contattore(1)
protetto da fusibili.
(1)
Il contattore conosciuto pure come teleruttore, può essere sia di tipo elettromeccanici e contattori statici; nei primi la commutazione dei contatti
interni(manovre di apertura e chiusura) del dispositivo avviene mediante il movimento di contatti elettrici (Contattori elettromeccanici),nei secondi la
commutazione dei contatti avviene mediante il comando di dispositivi elettronici (Contattori statici). I contattori elettromeccanici si dividono in due
grandi categorie: su barra, progettati per sopportare elevati valori delle correnti e delle tensioni di impiego; compatti , attualmente i più usati, in cui
tutte le varie parti che compongono il dispositivo sono contenute in una scatola isolante. Le parti essenziali di un teleruttore elettromeccanico sono:
la bobina di eccitazione, i contatti principali, il nucleo magnetico e i contatti ausiliari. La bobina di eccitazione può essere alimentata sia in corrente
alternata che in corrente continua con tensione di alimentazione 24V, 48V,110V,230V, 400V in corrente alternata.
Definizioni (2)
Contattore Elettromeccanico
Contattore Statico
Schema di connessione alla rete BT: caso generale
DISPOSITIVO GENERALE (DG) dell’impianto utilizzatore;
ha lo scopo di separare l’impianto utilizzatore dalla rete
ed è posto a valle del gruppo di misura dell’energia. Si
tratta di un Interruttore automatico idoneo al
sezionamento, eventualmente differenziale.
DISPOSITIVO DI INTERFACCIA (DDI) che separa
l’impianto FV dal resto dell’impianto utilizzatore, su
comando del sistema di PROTEZIONE DI INTEFACCIA (PI).
DISPOSITIVO DEL GENERATORE (DDG) che assicura il
sezionamento dell’impianto fotovoltaico o di una parte
di esso, come un sottocampo, in caso di guasto. In
genere è un interruttore automatico oppure un
contattore protetto da fusibili.
In assenza di impianto
utilizzatore il Dispositivo di
Interfaccia può coincidere con
l’Interruttore generale. In tal
caso DDI=DG
In un impianto MONOINVERTER
l’interruttore del Generatore (DDG)
essendo unico può svolgere anche la
funzione di Dispositivo di Interfaccia
(DDI). In tal caso DDG=DDI
Schema di connessione alla rete BT: casi particolari
In un impianto MONOINVERTER l’interruttore del
Generatore (DDG) essendo unico può svolgere anche la
funzione di Dispositivo di Interfaccia (DDI). In tal caso
DDG=DDI
In assenza di impianto utilizzatore il Dispositivo di
Interfaccia può coincidere con l’Interruttore generale. In
tal caso DDI=DG
Schema di connessione alla rete MT: caso con più inverter monofase
Il dispositivo generale è costituito da
un interruttore tripolare con
sganciatore di apertura. La protezione
generale comprende:
1. Un relè di massima corrente di
fase a tre soglie di intervento
(soglia di sovraccarico-51) e (soglia
instantanea-50)
2. Un relè di massima corrente
omopolare di terra (51N) a due
soglie di intervento, oppure un
relè di protezione direzionale di
terra a due soglie (67N)
3. Codice ANSI 27- Protezione di
Tensione minima
4. Codice ANSI 59 – Protezione di
Tensione Massima
5. Codice ANSI 81 – Protezione di
minima e massima frequenza
6. Codice ANSI 21 – Protezione di
impedenza
Il dispositivo di interfaccia può essere
posto sia sul lato media tensione che
sulla bassa.
Qualora vengano impiegati inverter
monofase di potenza fino a 10 [kW] il
sistema di protezione di interfaccia
può essere integrato nel convertitore
stesso, per potenze complessive non
superiori a 30 [kW].
Schema di connessione alla rete MT: caso con inverter trifase e trasformatori
BT/MT
Dispositivi di Interfaccia (CEI 82-25)
Il DISPOSITIVO DI INTERFACCIA (DDI) deve essere
costituito da uno dei seguenti componenti:
1. Interruttore Automatico idoneo al sezionamento
2. Contattore onnipolare di categoria AC-3
3. Interruttore di manovra-sezionatore con fusibili.
Il DDI è controllato in apertura da un apposito Sistema
di Protezione di Interfaccia (PI) tramite una bobina a
“mancanza di tensione”. La bobina è alimentata in
serie dai contatti di scatto dei relè della protezione di
interfaccia e determina l’apertura dello DDI in caso di
intervento per protezione o per mancanza di
alimentazione ausiliaria.
La tabella riportata a fianco definisce le caratteristiche
del sistema di Protezione di Interfaccia.
Bisogna aggiungere che per potenze fino a 6 [kW] in
monofase e 20 [kW] in trifase è ammesso che la
protezione di interfaccia possa essere sostituita dal
sistema di controllo dell’Inverter.
Il Dispositivo di Interfaccia DEVE essere unico per
tutto l’impianto fotovoltaico; fanno eccezione solo gli
impianti di potenza complessiva fino a 20 [kW] trifase
dove sono ammessi fino a TRE dispositivi di interfaccia
distinti, che possono coincidere con i Dispositivi di
Generatore (DDG). Sempre per quest’ultima fascia di
potenza l’ENEL accetta che il dispositivo di interfaccia,
che funge anche da DDG, sia interno all’inverter, dove
per potenze maggiori deve sempre essere esterno.
Specifiche del sistema di Protezione di Interfaccia (PI)
Dispositivi di manovra e sezionamento
Sul lato CORRENTE ALTERNATA degli Impianti fotovoltaici vengono utilizzati INTERRUTTORI AUTOMATICI
(MagnetoTermici) di tipo sia domestico che industriale. I primi garantiscono SEMPRE il sezionamento del circuito
mentre i secondi lo assicurano solo se dichiarato dal Costruttore.
Gli interruttori di manovra di bassa tensione sono NON AUTOMATICI e sono destinati a stabilire, portare ed
interrompere le correnti del servizio ordinario, ma non quelle di cortocircuito.
Sul lato CORRENTE CONTINUA degli Impianti fotovoltaici NON vengono utilizzati INTERRUTTORI AUTOMATICI di tipo
domestico. Quelli di tipo industriale per CA possono essere usati ma con tensioni massime ben aldisotto di quelle di
targa. Più in generale NON SI USANO INTERRUTTORI AUTOMATICI.
Sono invece utilizzati gli interruttori di manovra-sezionatori, spesso in categoria DC20, e quando la tensione nominale
dell’interruttore è inferiore alla massima tensione del generatore FV è necessario collegare in serie DUE o più poli
dell’interruttore per il sezionamento di ogni polo del sistema. In questo modo si riducono le tensioni di arco su ciascun
polo. Qualora invece la corrente da interrompere è elevata si possono collegare in parallelo i poli dell’interruttore.
SEZIONAMENTO
Per sezionamento si intende la manovra che interrompe e isola elettricamente un circuito o un apparecchio utilizzatore dal resto
dell'impianto. Esso contribuisce a garantire la sicurezza del personale incaricato di eseguire lavori, riparazioni, localizzazione di guasti,
sostituzione di apparecchi, su o in vicinanza di parti attive (pericolo di contatto diretto).
Categorie di utilizzazione di dispositivi di manovra (CEI 17-11)
Corrente nominale termica Ith: Massimo valore di corrente specificato
dal costruttore che l'apparecchio "a giorno" può portare nel servizio di
8 ore quando provato in aria libera, senza che le sovratemperature
delle sue varie parti superino i limiti specificati (p.e.: max deltaT per i
terminali 70°C)
Corrente di impiego nominale Ie: E' la corrente assegnata dal
costruttore e tiene conto della tensione di impiego nominale, della
frequenza, del servizio nominale, della categoria di utilizzazione e del
tipo di custodia.
Categoria di utilizzazione: Definiscono le condizioni di prove
dell'apparecchio durante le verifiche alla durata elettrica e al corto
circuito.
Tensione nominale di isolamento Ui: Definisce le distanze in aria e
superficiali e le tensioni di prova. Solitamente la tensione di
isolamento corrisponde al valore massimo della tensione di impiego
Tensione di impiego nominale Ue:E' il valore di tensione che
combinato con il valore di corrente determina l'applicazione
dell'apparecchio (categoria di utilizzazione)
Potere di interruzione: E' il valore di corrente, assegnata dal
costruttore, che l'apparecchio è capace di interrompere alla tensione
di impiego nominale. Il potere di interruzione è espresso dal valore
efficace della componente alternata
Corrente di breve durata ammissibile: E' il valore di corrente che
l'apparecchio può sopportare senza danneggiarsi (solitamente la
durata è 1 secondo). Per corrente alternata è il valore efficace della
corrente di prova.
Potere nominale di chiusura in corto circuito: E' il massimo valore di
cresta della corrente presunta che l'apparecchio è in grado di chiudere
con la tensione di impiego, alla frequenza nominale e con uno
specifico fattore di potenza (o costante di tempo per corrente
continua).
Corrente di corto circuito nominale condizionata da fusibile: E' la
corrente di corto circuito nominale quando il dispositivo di protezione
limitatore di corrente è un fusibile.
Interruttore Automatico
L’interruttore automatico è un apparecchio meccanico di manovra capace di stabilire, portare ed interrompere correnti in condizioni
normali del circuito ed inoltre di stabilire, portare per una durata specifica ed interrompere, correnti in condizioni anormali specificate
del circuito, ad esempio quelle di corto circuito. L’interruttore è tra l’altro caratterizzato dall’avere due posizioni che mantiene in
condizione di riposo (dopo la manovra che le ha determinate) senza che sia necessario un ulteriore apporto di energia. E’ un apparecchio
in grado di connettere e disconnettere un circuito dall’alimentazione mediante un’operazione, manuale o automatica, in genere di tipo
indipendente perché permette di raggiungere le posizioni di aperto e chiuso senza arresto in posizioni intermedie con velocità di
apertura/chiusura svincolata dalla velocità di manovra dell’operatore. La parola ‘automatico’ sta ad indicare un apparecchio che
interviene automaticamente quando è attraversato da una corrente superiore alla sua corrente nominale. Le modalità dell’intervento
dipendono essenzialmente dall’entità della sovracorrente e dalla caratteristica di intervento dell’interruttore. Ogni interruttore è fornito
di due sganciatori di sovracorrente di cui uno (relè termico), a tempo inverso, provoca l’apertura con un ritardo inversamente
proporzionale al valore della sovracorrente, mentre l’altro (relè elettromagnetico), ad intervento istantaneo provoca l’intervento a partire
da un determinato valore di sovracorrente (relativamente elevato) con un tempo pressoché costante
Gli Interruttori automatici di tipo domestico hanno corrente nominale fino a 125
[A] e non sono regolabili né ritardabili; la categoria utilizzata è quella con
caratteristiche di intervento di tipo-C, ossia con soglia di intervento magnetico
compresa fra 5 In e 10 In. Gli Interruttori automatici ad uso industriale hanno
correte nominale fino a 4000 [A] e sono regolabili e ritardabili.
TENSIONE NOMINALE: è il valore della tensione a cui sono riferite le
prestazioni dell'interruttore in fase di chiusura ed interruzione su
cortocircuito.
TENSIONE PER IL COORDINAMENTO DELL' ISOLAMENTO: è la
resistenza dielettrica che deve avere l'apparecchio alle sollecitazioni
delle sovratensioni.
CORRENTE TERMICA NOMINALE Ith: è il valore di corrente che
l’interruttore può condurre senza che le sovra temperature delle sue
varie parti superino i valori stabiliti dalla norma (8 ORE).
CORRENTE INTERROTTA NOMINALE In: è la corrente relativa al
servizio interrotto di durata superiore alle 8 ore.
POTERE DI INTERRUZIONE: è l'attitudine di un interruttore ad
interrompere la corrente durante il corto circuito, indicante il massimo
valore efficace della componente simmetrica della corrente di
cortocircuito presunta che l'apparecchio è in grado di interrompere.
POTERE NOMINALE DI CHIUSURA DI CORTOCIRCUITO: è il valore
massimo di cresta della corrente di cortocircuito presunta che
l'interruttore è in grado di chiudere alla frequenza nominale.
Tipologia degli interruttori differenziali
Gli interruttori differenziali si classificano in tipo AC, tipo A e tipo B in base alla forma d'onda della corrente differenziale a
cui sono sensibili.
Gli interruttori differenziali di tipo AC sono interruttori differenziali il cui intervento è garantito solo per correnti
differenziali di forma sinusoidale, cioè la medesima forma d'onda della tensione di rete. Il tipo AC è quello più semplice
ed è adatto in presenza di carichi lineari, quali lampadine senza alimentatori o regolatori elettronici.
Gli interruttori differenziali di tipo A sono interruttori differenziali il cui intervento è garantito come per il tipo AC e
inoltre e vengono generalmente impiegati in circuiti monofase:
1 - per correnti differenziali pulsanti unidirezionali con o senza controllo dell’angolo di fase,
2 - per correnti differenziali pulsanti unidirezionali sovrapposte ad una corrente continua senza ondulazioni
di 0,006 A indipendenti dalla polarità, applicate improvvisamente o lentamente crescenti.
Gli interruttori differenziali di tipo B il cui intervento è assicurato come per il tipo A e generalmente sono impegati in
circuiti trifase. Oltre a ciò presentano le seguenti caratteristiche di intervento:
1 - per correnti differenziali sinusoidali differenziali fino a 1000 Hz,
2 - per correnti differenziali continue senza ondulazioni di 0,4 volte la corrente differenziale nominale (Idn) o
10 mA scegliendo il valore più elevato sovrapposto ad una corrente alternata,
3 - per correnti differenziali continue senza ondulazioni di 0,4 volte la corrente differenziale nominale (Idn) o
10 mA scegliendo il valore più elevato sovrapposto ad una corrente differenziale pulsante unidirezionale,
4 - per correnti differenziali pulsanti unidirezionali raddrizzate risultanti da due o più fasi,
5 - per correnti differenziali continue senza ondulazione indipendenti dalla polarità, applicate
improvvisamente o lentamente crescenti.
Scaricatori di Sovratensioni (Surge Protection Device)
La protezione da sovratensioni associate a scariche atmosferiche DEVE essere garantita in tutti blocchi funzionali
dell’impianto fotovoltaico: blocco di CC e blocco in CA. Il dimensionamento semplificato di un SPD, nel caso di CORRENTE
CONTINUA, può essere fatto con la formula seguente:
VSPD N pannelli VOC (STC ) 1.20 [Vcc ]
questo perché nel quadro di campo la tensione massima di fotovoltaico è quella di una Stringa. Una volta effettuato il
calcolo si sceglierà, da catalogo, il modello di SPD che presenta una tensione appena superiore a quella calcolata.
In genere la taglia maggiormente diffusa è la 600 Vcc ed il dispersore deve essere posizionato nel quadro di campo.
Sul lato TENSIONE ALTERNATA la tensione di SPD può essere scelta di circa 330 Vac, ovviamente in Bassa Tensione.
Un dispositivo SPD è un VARISTORE, ossia è in grado di diminuire la sua resistenza elettrica quando la tensione applicata
ai suoi capi supera un determinato valore, in tal modo si scarica la corrente in ingresso verso il POLO EQUIPOTENZIALE
dell’impianto di protezione. Ogni SPD presenta una durata massima che è legata al numero di scariche che può
sopportare, in genere 20 scariche. Chiaramente se la zona dove opera l’impianto presenta una frequenza di fulminazione
annua molto alta si ha che lo SPD avrà una durata limitata nel tempo, e comunque sicuramente minore della vita
dell’impianto stesso.
Metodo della sfera rotolante
L’angolo di protezione di un’asta di captazione può essere calcolata mediante il metodo della Sfera Rotolante. Tale
metodo prevede che l’angolo venga individuato accostando una sfera di raggio –r- all’asta stessa, ed iniziandone ad
aumentare il raggio fino a che la retta uscente dall’apice del captatore, e diretta verso terra, non tagli in due superfici
uguali , una esterna ed una interna, la sfera stessa.
h1 è l’altezza dell’asta di captazione
14
Metodo della sfera rotolante (2)
L’altezza, h, delle aste di captazione DEVE sempre essere maggiore della profondità di penetrazione della sfera e tale da
evitare che la stessa entri in contatto con il generatore fotovoltaico.
p r r 2 (d / 2) 2
15
Metodo della sfera rotolante (3)
16
Metodo della sfera rotolante (4)
17
