Impiego di dispositivi di protezione contro le
sovratensioni (SPD) negli impianti fotovoltaici
Informazione tecnica
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00/09.08
Premessa
Premessa
I danni provocati dai fulmini e dalle sovratensioni
non si limitano a causare elevati costi di riparazione,
ma spesso portano al fermo di macchine e impianti.
Weidmüller offre una gamma completa di prodotti
per la protezione contro le sovratensioni e contro i
fulmini.
Solo la creazione di zone di protezione ben definite
e chiuse può portare alla sicurezza necessaria per
gli apparecchi elettrici ed elettronici. La giusta protezione deve essere scelta in funzione del tipo di applicazione e delle sue esigenze. Per ridurre il rischio
di distruzione degli apparecchi finali da parte di fulmini e sovratensioni, le linee presenti negli edifici industriali e ad uso commerciale devono essere protette mediante dispositivi di protezione contro le sovratensioni per i settori dell’energia, di misura controllo e regolazione e della trasmissione dati.
Attualmente la protezione degli impianti fotovoltaici è
un tema caldo che suscita l’interesse di investitori,
installatori e progettisti, in uguale misura. Con un
contributo esauriente vogliamo offrire il nostro supporto per quanto riguarda i componenti di protezione
contro le sovratensioni per il settore fotovoltaico.
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Contenuto
Contenuto
Premessa..........................................................................................................................3
Contenuto.........................................................................................................................4
1. Impiego di dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD)
in impianti fotovoltaici.................................................................................................. 5
1.1 Protezione esterna contro i fulmini.............................................................................. 6
1.2 Impiego e corretta applicazione dei dispositivi di protezione
contro le sovratensioni ................................................................................................ 6
1.3 Particolarità del lato DC del generatore solare ........................................................... 8
1.4 Casi pratici d’impiego................................................................................................ 10
1.5 Soluzioni pronte per l’installazione............................................................................ 11
Riferimenti....................................................................................................................... 13
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1.
Impiego di dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) in impianti fotovoltaici
Nell’impiego di dispositivi di protezione contro le sovratensioni (in inglese.: Surge Protective Device = SPD)
in impianti fotovoltaici va tenuto conto di alcune particolarità. Al contrario delle applicazioni di SPD in sistemi
con tensione alternata, nel caso di un impianto fotovoltaico ci troviamo di fronte ad una fonte di tensione continua con caratteristiche molto specifiche. Nella progettazione dell’impianto queste caratteristiche specifiche
vanno tenute in considerazione e gli SPD vanno coordinati di conseguenza. Gli SPD per impianti fotovoltaici
devono essere progettati per una tensione a vuoto max.(UOC STC = tensione del circuito non caricato in
condizioni standard di prova) del generatore solare, come anche per la massima disponibilità dell’impianto e
con un margine di sicurezza.
Il fotovoltaico è una colonna portante nella produzione di energia nel settore delle energie rinnovabili o anche rigenerative. Ciò riguarda non solo la Germania, ma anche altri importanti mercati dell’export come il
Sud Europa e il Nord America. Da Giugno 2006 esiste la norma DIN VDE 0100 (VDE 0100) parte 712 [1] per
la realizzazione di impianti fotovoltaici. Si tratta di una norma europea armonizzata, il che significa che si tratta di un documento di armonizzazione HD. Il periodo di transizione è terminato il 1 Marzo 2008, ed ora la
norma è pienamente valida e deve essere applicata. In questa norma sono contenute indicazioni per i dispositivi di protezione contro le sovratensioni e la protezione contro i fulmini. Una protezione contro le sovratensioni non viene esplicitamente richiesta, ma raccomandata (Fig. 1). Contemporaneamente la norma segnala
che nell’impiego di una protezione contro i fulmini l’impianto fotovoltaico deve essere protetto mediante un
dispositivo parafulmine – mantenendo un’appropriata distanza di separazione.
Fig. 1
Rappresentazione del principio della norma DIN VDE 0100-712
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1.1
Protezione esterna contro i fulmini
A causa della grande superficie su cui si estende e della posizione esposta, le scariche atmosferiche, come
ad esempio i fulmini, mettono a rischio in modo considerevole gli impianti fotovoltaici. E’ necessario distinguere tra azioni dirette dei fulmini e azioni cosiddette indirette (induttive e capacitive). La necessità di una
protezione contro i fulmini deriva da una parte dalla prescrizioni normative e dall’altra anche dall’applicazione
stessa; in altre parole, se si tratta di una installazione in edificio o in campo. Nel caso delle installazioni in edifici, si fa una distinzione tra l’installazione di un generatore fotovoltaico sul tetto di un edificio pubblico –
con impianto di protezione antifulmine – e installazione su un tetto di fienile – senza parafulmine. Le installazioni in campo offrono, grazie ai moduli di grande estensione superficiale, offrono un bersaglio potenzialmente molto grande, quindi una protezione esterna contro i fulmini è comunque consigliabile per evitare di
essere colpiti direttamente.
Le indicazioni normative sono contenute nella DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) allegato 2 (specifiche applicative secondo la classe di protezione o il livello di rischio LPL III) [2], come anche nelle linee guida VdS
2010 [3], (impianto fotovoltaico > 10 kW, quindi protezione antifulmine necessaria). Inoltre vengono richieste
misure di protezione contro le sovratensioni. Il generatore fotovoltaico deve preferibilmente essere protetto
da un dispositivo parafulmine separato. Se però un collegamento diretto del generatore fotovoltaico non è
evitabile, per cui ad esempio non viene mantenuta la distanza di separazione, allora è necessario fare attenzione alle correnti parziali da fulmine. In generale vanno utilizzate linee principali schermate per il generatore, allo scopo di mantenere basse le sovratensioni indotte. In aggiunta, se la sezione della schermatura è
sufficiente (almeno 16mm² Cu) la schermatura può essere utilizzata per condurre le correnti parziali da fulmine. Lo stesso vale per l’impiego di custodie metalliche chiuse. Sia per il cavo e per la custodia metallica va
eseguita la messa a terra bilaterale. In questo modo la linea principale del generatore (lato DC) si trova in
zona LPZ 1 (dall’inglese: Lightning Protection Zone), il che significa che è sufficiente un dispositivo di protezione SPD di tipo II. Altrimenti si rende necessario un dispositivo SPD di tipo I.
1.2
Impiego e corretta posa di dispositivi di protezione contro le sovratensioni
In generale l’impiego e la posa di SPD in impianti a bassa tensione sul lato corrente alternata può essere
considerato una procedura standard, mentre l’impiego e la giusta posa per generatori fotovoltaici in corrente
continua rappresenta ancora una sfida. Questo perché prima di tutto un generatore solare dispone di determinate caratteristiche e in secondo luogo gli SPD vengono installati in circuiti a tensione continua. Gli SPD
convenzionali sono stati sviluppati tipicamente per sistemi a tensione alternata e non per sistemi a tensione
continua. Da anni a questo proposito esistono importanti norme sui prodotti [4], che in linea di principio possono essere applicati anche alle applicazioni in tensione continua. Se prima venivano realizzate ancora tensioni di sistema per il fotovoltaico relativamente basse, oggi queste si collocano intorno ai 1000V DC con circuito fotovoltaico non caricato. Tensioni continue di sistema così elevate possono però essere gestite con i
dispositivi di protezione contro le sovratensioni adeguati.
In quale punto di un impianto fotovoltaico gli SPD trovino tecnicamente la giusta collocazione dipende soprattutto dal tipo di impianto, dal sistema che viene applicato e dalla ambientazione. Le Fig. 2 e 3 illustrano
le differenze di principio: prima un edificio con protezione esterna contro i fulmini e un impianto fotovoltaico
montato sul tetto (installazione nell’edificio), poi un esteso impianto fotovoltaico con generatore solare (installazione in campo), anch’esso con impianto di protezione esterna contro i fulmini. Nel primo caso – a causa della limitata lunghezza dei cavi – viene realizzata solo la protezione dell’ingresso DC dell’inverter, mentre nel secondo caso gli SPD si trovano sia nella cassetta di collegamento del generatore solare (a protezione dei moduli solari) sia sull’ingresso DC dell’inverter (a protezione dell’inverter). Nel caso in cui i cavi tra il
generatore fotovoltaico e l’inverter siano più lunghi di 10 metri (Fig. 2), anche nelle vicinanze del generatore
fotovoltaico e nelle vicinanze dell’inverter devono essere installati degli SPD. La protezione del lato AC, cioè
uscita dell’inverter e alimentazione della rete, deve essere eseguita come soluzione standard con degli SPD
di tipo II all’uscita dell’inverter e – nel caso di un’installazione all’esterno dell’edificio con protezione antifulmini esterna nel punto di alimentazione della rete – con un SPD scaricatore di tipo I.
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Fig. 2
Installazione in edificio con protezione esterna contro i fulmini e mantenimento della distanza di
separazione
Fig. 3
Installazione in campo con impianto di protezione esterno contro i fulmini
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1.3
Particolarità del lato DC del generatore solare
Nella protezione del lato DC fino ad oggi venivano impiegati sempre degli SPD per le normali tensioni alternate di rete, dove L+ e L- venivano rispettivamente collegate al potenziale di terra come protezione. Gli SPD
erano calcolati per almeno il 50% della massima tensione a vuoto del generatore solare. Dopo diversi anni di
utilizzo può verificarsi un errore d’isolamento nel generatore fotovoltaico. Questo stato di guasto
nell’impianto fotovoltaico ha come conseguenza che la piena tensione del generatore fotovoltaico si applichi
sul polo dell’SPD anche se non interessato dal guasto e quindi crei un sovraccarico. Se gli SPD su base varistore metall oxid sono sottoposti a tensioni permanenti troppo elevate, questo può portare alla distruzione
o allo sgancio del dispositivo di sezionamento. Proprio negli impianti fotovoltaici con elevate tensioni di sistema, con l’attivazione del dispositivo di sezionamento interno all’SPD nei casi più sfavorevoli si può sviluppare un incendio a causa del mancato spegnimento dell’arco tra i contatti. Anche elementi di protezione contro le sovracorrenti posti a monte (fusibili) non rappresentano una soluzione, dato che la corrente di cortocircuito del generatore fotovoltaico è solo di poco più elevata di quella della corrente nominale. Oggi sempre
più frequentemente vengono realizzati impianti fotovoltaici con tensioni di sistema da 1000 VDC, per limitare
il più possibile le perdite di potenza. Affinché l’SPD sia in grado di gestire anche queste elevate tensioni di
sistema, si è affermato quasi come standard il cosiddetto circuito a Y composto da 3 varistori (Fig. 4). In caso di un errore d’isolamento restano sempre due varistori in serie, il che impedisce con efficacia un sovraccarico dell’SPD. Ugualmente in questo caso nel varistore stesso scorrono le cosiddette correnti di dispersione. La probabilità di forti correnti di dispersione aumenta con l’invecchiamento del varistore e a causa di frequenti sollecitazioni dovute a sovratensioni. Con l’aumento della corrente di dispersione nei casi più sfavorevoli (come già descritto sopra) è possibile che la difettosa capacità di commutazione DC del dispositivo di
sezionamento interno all’SPD porti allo sviluppo di un incendio.
Fig. 4
8
Circuito di protezione a Y con tre varistori
E’ necessario tenere presente due diversi aspetti – una tensione permanente troppo elevata sull’SPD ad esempio attraverso uno stato di guasto di isolamento nell’impianto fotovoltaico e il passaggio di una forte corrente di dispersione, ad esempio attraverso frequenti sollecitazioni di sovratensione. La soluzione viene offerta da un circuito a Y (Fig. 5), composto da due varistori e uno spinterometro connesso al potenziale di terra. Il circuito a Y impedisce, nel caso di errore d’isolamento nel circuito fotovoltaico, una tensione permanente troppo elevata per l’SPD, lo spinterometro stesso impedisce la corrente di dispersione. In altre parole: lo
spinterometro impedisce l’attivazione della commutazione di protezione quando si verifica un errore
d’isolamento. In realtà la connessione in serie di un varistore metall oxid e di uno spinterometro (qui scaricatore a gas) non rappresenta niente di nuovo, ci ricorda i tempi dei vecchi scaricatori a valvole. L’impiego in
un circuito a tensione continua è l’unica differenza. Per un efficace spegnimento dello scaricatore a gas la
tensione applicata deve essere minore della tensione di funzionamento minima.
In conclusione si può affermare quanto segue: con il circuito a Y, composto da due varistori e uno spinterometro, si realizza un circuito di protezione assolutamente esente da correnti di dispersione, prevenendo
un’attivazione del dispositivo di commutazione interno all’SPD. Ciò previene efficacemente il possibile scenario descritto sopra, e cioè un possibile principio di incendio. Contemporaneamente si previene anche
qualsiasi intervento di un dispositivo di controllo dell’isolamento e delle correnti di dispersione.
Questo rende possibile una costruzione completamente isolata dalla messa a terra – anche nel caso di tensioni DC molto elevate. Weidmüller a questo scopo offre, con lo scaricatore SPD Tipo 2 PU II 2+1 550 V fino
a UOC STC < 1000V DC, una soluzione sofisticata e orientata all’applicazione pratica (Fig. 5).
Guasto: Perdita d’isolamento verso PE
Fig. 5
Circuito di protezione a Y con due varistori e uno spinterometro
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1.4
Casi pratici d’impiego
Come già descritto, nella pratica si distingue tra installazioni negli edifici ed installazioni in campo. Se è disponibile una protezione contro i fulmini, è preferibile integrare il generatore fotovoltaico in questa protezione
come parafulmine isolato. In questo caso la distanza di separazione secondo DIN EN 62305-3(VDE 0185305-3) deve essere mantenuta. Se questa distanza non può essere garantita bisogna prevedere la formazione di correnti parziali da fulmini. La norma relativa alla protezione da fulmini DIN EN 62305-3 (VDE 0185305-3) allegato 2 indica nel paragrafo 17.3: „devono essere utilizzate linee principali schermate per il generatore, in modo da ridurre le sovratensioni indotte.“ Se la sezione è sufficiente (almeno 16 mm² Cu) la schermatura del cavo può essere utilizzata anche per la conduzione di correnti parziali da fulmini. Anche nell’ABB
(Comitato per la protezione da fulmini e la ricerca sui fulmini presso il VDE) Nota [5] – Protezione da fulmini
in impianti fotovoltaici – viene indicato che la linea principale del generatore deve essere in esecuzione
schermata. In questo modo è possibile rinunciare agli scaricatori di corrente da fulmini (SPD Tipo 1), mentre
sono necessari su entrambi i lati degli scaricatori di sovratensione (SPD Tipo 2). Come mostra la Fig. 6, esiste una soluzione pratica che consiste in una linea principale del generatore schermata, che consente di ottenere una zona LPZ 1. In questo modo vengono applicati degli scaricatori SPD di tipo 2 come indicato dalla
norma.
Fig. 6
Installazione in edificio con protezione antifulmine esterna e senza mantenimento della distanza
di separazione
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1.5
Soluzioni pronte per l’installazione
Per effettuare nel modo più semplice possibile il montaggio dei componenti, Weidmüller offre soluzioni pronte per la protezione del lato DC e del lato AC sull’invertitore. I tempi d’installazione si riducono grazie ai Box
fotovoltaici Plug&Play con scaricatori di tipo 2, sia per il lato DC sia per la combinazione con il lato AC, sono
in esecuzione IP 65 e provvisti dei comuni collegamenti MC4. Weidmüller offre Box fotovoltaici per uno o
due solarstring e anche la combinazione con il lato AC e un dispositivo di separazione sul lato DC secondo
DIN VDE 0100 (VDE 0100) parte 712 (Fig. 7 a 9). A richiesta Weidmüller si incarica anche di realizzare assemblaggi su richiesta del cliente.
Fig. 7
Weidmüller offre una vasta gamma di soluzioni pronte per l’installazione per la protezione degli
impianti fotovoltaici
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Fig. 8
Soluzione pronta per l’installazione per 8 solarstring. I pannelli solari sono collegati ai morsetti
sezionatori di misura, che possono essere aperti e chiusi singolarmente per le misurazioni..
Fig. 9
Soluzioni pronte per l’installazione per impianti solari. A sinistra: „PV-Box Multistring“ per collegare un max. di 8 solarstring. A destra: „PV-Box AC/DC“ per la protezione del lato DC di uno
string e del lato AC.
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Riferimenti
[1]
DIN VDE 0100 (VDE 0100 ) parte 712: 2006-06 Disposizioni per sistemi di approvvigionamento energia
per fabbriche, ambienti e impianti di tipo speciale-solare-fotovoltaico (PV)
[2]
DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) 2006-10 Protezione contro i fulmini - parte 3: Protezione di impianti
e persone
[3]
Linee guida VdS 2010:2005-07 Protezione contro i fulmini e le sovratensioni orientate al rischio; Linee
guida per la prevenzione dei danni – Editore: VdS Schadenverhütung Verlag
[4]
DIN EN 61643-11 (VDE 675-6-11): 2007-08 Protezione contro le sovratensioni per bassa tensione –
parte 11: Dispositivi di protezione contro le sovratensioni per l’impiego in impianti a bassa tensione –
Prescrizioni e prove
[5]
ABB Foglio note 11 – Protezione antifulmine per impianti fotovoltaici – ABB = Comitato per la protezione
contro i fulmini e la ricerca sui fulmini presso il VDE
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