Correnti di dispersione capacitiva Indicazioni per il

Informazione tecnica
Correnti di dispersione capacitiva
Indicazioni per il dimensionamento degli inverter senza trasformatore
Sunny Boy, Sunny Mini Central, Sunny Tripower
Tutti i moduli FV, grazie a un rapporto fondamentale delle proprietà fisiche, hanno una certa capacità parassita, che è
proporzionale alla superficie e dipende inoltre dalle caratteristiche del materiale nonché dal tipo di montaggio. Questa
capacità è particolarmente elevata nei moduli FV su sostrati flessibili ma anche in alcuni moduli FV cristallini con lato
posteriore metallico integrato.
In combinazione con gli inverter senza trasformatore (TL), durante il funzionamento possono verificarsi correnti di
spostamento dovute a influssi esterni (pioggia, rugiada), così elevate da far scattare l’unità di monitoraggio per correnti
di guasto dell’inverter o quella della linea di immissione in rete. Come conseguenza l’inverter si scollega dalla rete
pubblica per un breve periodo di tempo.
Di seguito vengono illustrati i principali aspetti tecnici da considerare fin dall’inizio per la progettazione dell’impianto FV.
La presente informazione tecnica si rivolge a due gruppi di lettori: innanzitutto ai produttori di moduli FV sopra indicati,
con la richiesta di inoltrare l’informazione ai propri clienti e in secondo luogo agli installatori e ai progettisti di impianti.
Ableistrom-TI-it-23 | Versione 2.3
ITALIANO
1 Come si calcola la capacità del generatore FV verso terra?
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1 Come si calcola la capacità del generatore FV verso terra?
Figura 1: Modulo FV con montaggio su tetto e rappresentazione schematica della “capacità parassita”.
C1
Capacità parassita dovuta a strato di acqua sul vetro
C2
Capacità parassita dovuta a un supporto con messa a terra
C3
Capacità parassita dovuta a superficie del tetto
Un modulo FV rappresenta una superficie a conduzione elettrica che si trova di fronte a un supporto con messa a terra.
Una simile disposizione che con tensione collegata accumula carica viene chiamata condensatore, la cui capacità è in
genere indicata con “C”. Poiché questa capacità è un effetto collaterale non desiderato viene anche definita
“capacità parassita”.
La capacità viene calcolata con la seguente formula e dipende da quattro fattori:
C = ε0εr·A/d
Significato dei fattori:
ε0 :
εr:
A:
d:
Permettività, costante naturale (8,85 • 10-12 As/Vm)
Permettività relativa, in base al materiale (εraria = 1; εrvetro ≈ 5–10)
Superficie elettricamente attiva del condensatore
Distanza tra le piastre del condensatore
Quali valori possono essere applicati per la superficie A e la distanza d? La risposta non è mai semplice, poiché si deve
considerare non solo il tipo di montaggio ma anche i dati del modulo FV. Per questo motivo solitamente non si trovano
indicazioni a riguardo nella scheda tecnica. Di seguito viene spiegato, con l’ausilio di due esempi, com’è comunque
possibile eseguire una valutazione (per il vetro utilizzato viene adottato εr = 6).
Per il volume delle capacità parassitarie nella figura 1 si applica, in caso di pioggia e bagnato, il seguente rapporto:
C1 >> C2 >> C3, dal quale risulta che in caso di pioggia e bagnato solo la capacità di C1 ha effetto mentre C2 e C3
non devono essere ulteriormente considerate. In caso di tempo asciutto, anche C1 è talmente piccola da avere un influsso
trascurabile sul funzionamento dell’impianto fotovoltaico. Il volume di C1 è pertanto oggetto di ulteriore osservazione
solo in caso di pioggia e bagnato.
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1 Come si calcola la capacità del generatore FV verso terra?
Esempi di stima delle capacità parassite in vari tipi di moduli supponendo che la superficie del vetro venga
incessantemente bagnata da acqua
Esempio 1: modulo comune con silicio cristallino (monocristallino, policristallino)
• Grado di rendimento tipico: 15% … 20%
• Spessore del vetro: 3 mm … 4 mm
• Per ogni m² di superficie il modulo possiede una capacità di 12 nF … 17 nF
• Per ogni kW di potenza CC installata l’impianto presenta 60 nF … 110 nF
• Per un impianto da 5 kW risulterebbe un valore di 330 nF … 550 nF
Esempio 2: modulo a film sottile, ad es. CdTe
• Grado di rendimento tipico: 10% … 15%
• Spessore del vetro: 3,2 mm
• Per ogni m² di superficie il modulo possiede una capacità di 16 nF
• Per ogni kW di potenza CC installata l’impianto presenta 100 nF … 160 nF
• Per un impianto da 5 kW risulterebbe un valore di 500 nF … 800 nF
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2 Come si produce la corrente di dispersione capacitiva?
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2 Come si produce la corrente di dispersione capacitiva?
Durante il funzionamento il modulo FV è collegato alla rete in corrente alternata mediante l’inverter. Così, in base al tipo
di apparecchio, una parte dell’ampiezza di corrente alternata arriva al modulo FV. Qui occorre distinguere due casi
diversi (v. anche grafico):
Inverter senza trasformatore
Quasi tutti gli inverter monofase senza trasformatore trasmettono per motivi operativi la metà dell’ampiezza di rete al
modulo FV. In molte reti europee con 230 V/50 Hz la disposizione oscilla ad es. con 115 V/50 Hz. Ciò vale solo per
i modelli Sunny Boy e Sunny Mini Central con estensione “TL” nel nome del prodotto.
Per gli inverter trifase senza trasformatore le oscillazioni evidenziano, in base al sistema, ampiezze più ridotte
producendo così correnti di dispersione più piccole. La trasmissione della tensione CA al modulo FV viene limitata in
misura maggiore. Ciò vale per tutti i Sunny Tripower.
Inverter con trasformatore
Negli inverter con trasformatore la tensione sul modulo FV oscilla con un cosiddetto “ripple” di pochi Volt.
La tensione oscillante modifica costantemente lo stato di carica del condensatore FV parassita. A ciò è collegata una
corrente di spostamento che è proporzionale alla capacità e all’ampiezza di tensione presente. Il circuito elettrico della
corrente di spostamento viene collegato all’allacciamento domestico dapprima tramite il collegamento a terra del
modulo FV e quello della barra equipotenziale. Per questo motivo tale corrente è chiamata anche corrente di dispersione
(capacitiva).
Figura 2: Il potenziale del modulo FV inferiore (blu) e superiore (rosso) di una stringa dipende dall’inverter impiegato e dal fatto che un polo del
generatore sia o meno messo a terra. Esempio per una tensione MPP pari a 400 V
Per esperti: la corrente di spostamento I (valore effettivo) viene descritta in termini fisici nel seguente modo:
Q
t
U
t
I = -------- = C • ------- = C • 2π • f • U
In questo caso f = 50 Hz è la frequenza di rete e U il valore effettivo della tensione alternata sul generatore FV
(circa 115 V per inverter monofase senza trasformatore). Questa corrente di dispersione è una corrente reattiva
sfasata di 90° rispetto alla tensione di rete ed è quindi, in prima approssimazione, priva di perdite.
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3 Che influsso ha la corrente di dispersione nel rilevamento della corrente di guasto?
3 Che influsso ha la corrente di dispersione nel rilevamento della
corrente di guasto?
La corrente di dispersione capacitiva descritta al paragrafo 2 è una corrente reattiva (priva di perdite).
Se invece a causa di un errore, ad es. per un isolamento danneggiato, si verifica un contatto tra una linea sotto tensione
e una persona a contatto con la terra (vedere figura 3), si genera una corrente aggiuntiva involontaria che causa delle
perdite e viene definita come corrente di guasto. La somma di entrambe le correnti (corrente di dispersione e corrente di
guasto) si chiama corrente differenziale.
Corrente differenziale = Corrente di dispersione + Corrente di guasto
Le correnti di guasto CA superiori a 30 mA possono rappresentare un pericolo di morte per le persone.
Per garantire una protezione supplementare delle persone, oltre all’isolamento per il generatore FV, gli inverter senza
trasformatore devono scollegarsi dalla rete pubblica al più tardi quando raggiungono una corrente di guasto di 30 mA
(norma tedesca DIN VDE 0126-1-1). Per questo motivo durante la modalità di immissione in rete, la corrente
differenziale (corrente di dispersione + corrente di guasto) viene misurata tramite un’unità di monitoraggio correnti di
guasto sensibile a tutte le correnti (RCMU). Quest’unità, tuttavia, può misurare solo la corrente differenziale (corrente di
dispersione + corrente di guasto). Il calcolo per dedurre la corrente di guasto può essere effettuato solo in determinate
condizioni e diventa sempre più difficile con l’aumento della corrente di dispersione. A partire da un valore di circa
50 mA le oscillazioni casuali della corrente di dispersione diventano così grandi che possono essere interpretate come
correnti di guasto improvvise di oltre 30 mA. In questi casi l’inverter si scollega per precauzione automaticamente dalla
rete pubblica.
Figura 3: Formazione di una corrente di guasto in seguito a contatto tra una linea sotto tensione e una persona a contatto con la terra.
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4 Quando diventa problematica la situazione?
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4 Quando diventa problematica la situazione?
Capacità limite
Come descritto prima, per garantire il funzionamento corretto dell’unità di monitoraggio della corrente di guasto
del generatore FV si devono evitare correnti di dispersione superiori a 50 mA. Poiché la corrente di dispersione dipende
direttamente dalla capacità del modulo FV verso terra è possibile indicare per ogni tensione di rete una relativa capacità
limite a partire dalla quale si deve prendere in considerazione un funzionamento sensibile ai disturbi.
Per tutti gli inverter monofase senza trasformatore, in base alla seguente formula:
I = C • 2π • f • U (con I = 50 mA, f = 50 Hz e U = 115 V) risulta una capacità limite di ca. 1 400 nF. Per
Sunny Tripower la capacità limite è di 2 560 nF.
Tuttavia, nella pratica, le capacità sopra citate vengono raggiunte solo di rado. Un ampio test sul campo ha dimostrato
che nella maggior parte dei moduli vetro-vetro i valori della formula empirica sotto menzionata sono valori di punta che
vengono raggiunti solo in caso di pioggia molto intensa. Anche in caso di condensazione mattutina i valori sono elevati,
mentre nei momenti di miglior rendimento (quando splende il sole) si scende a valori molti bassi. Nella figura seguente
è possibile riconoscere la reazione della corrente di dispersione di un generatore FV nel caso si verifichino tali eventi.
Figura 4: Andamento di una corrente di dispersione come reazione alla modifica della capacità parassita del generatore di moduli vetro-vetro in
caso di condensazione e pioggia forte
Per gli esperti: formula empirica per la capacità di un modulo
Se nella formula sopra indicata si inseriscono i seguenti valori per la capacità:
ε0 = 8,85 • 10-12 As / Vm
εrvetro = 6
Allora da C = ε0εr • A / d ➝ C [nF] ≈ 50 • A [m²] / d [mm].
Vale la seguente formula approssimativa:
C [nF] ≈ 50 • A [m²] / d [mm]
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SMA Solar Technology AG5 Uso di un interruttore differenziale con soglia di scatto pari a 30 mA in STP 5000TL-20/
5 Uso di un interruttore differenziale con soglia di scatto pari a 30 mA in
STP 5000TL-20/6000TL-20/7000TL-20/8000TL-20/9000TL-20
L’immissione simmetrica trifase è correlata a una corrente di dispersione molto ridotta in caso di rete senza disturbi.
Gli inverter STP 5000TL-20/6000TL-20/7000TL-20/8000TL-20/9000TL-20 possono inoltre essere attivati con una
procedura di regolazione speciale che riduce la corrente di dispersione legata al funzionamento.
A tal fine ogni inverter deve essere collegato alla rete pubblica tramite un interruttore differenziale proprio.
In caso di uso di un interruttore differenziale da 30 mA, la soglia di scatto dell’inverter deve essere impostata tramite i
parametri sul valore 30 mA (v. documentazione dell’inverter su www.SMA-Solar.com).
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6 Compensazione delle correnti di dispersione capacitiva
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6 Compensazione delle correnti di dispersione capacitiva
La situazione descritta nei capitoli precedenti per il monitoraggio della corrente differenziale nell’inverter è applicabile
anche al monitoraggio della corrente di guasto nella linea di immissione in rete. Le direttive vigenti locali possono
prescrivere l’installazione di un interruttore differenziale (RCD) sul lato CA dell’impianto FV. In caso di maltempo,
come ad es. pioggia forte, la corrente di dispersione del generatore FV può aumentare tanto che la corrente di
dispersione capacitiva può far scattare l’interruttore differenziale sebbene non sia presente nessuna corrente di guasto.
Ciò accade molto spesso negli interruttori differenziali che scattano in presenza di una corrente di guasto contenuta (ad
es. pari a 30 mA).
Se l’interruttore differenziale scatta in seguito a una corrente di dispersione capacitiva e non viene riattivato prontamente,
è possibile una notevole perdita di rendimento.
Con l’impiego di un interruttore differenziale a 4 poli anziché di un tradizionale interruttore per corrente alternata a
2 poli, questa situazione può migliorare notevolmente collegando un condensatore. Il condensatore esterno genera una
corrente di compensazione che riduce la corrente di dispersione capacitiva di un valore costante. In questo modo si evita
che l’interruttore differenziale scatti prematuramente per via di correnti di dispersione capacitiva e si presenta il seguente
scenario:
Corrente differenziale = Corrente di dispersione + Corrente di guasto - Corrente di compensazione
Scatto dell’interruttore differenziale
Gli interruttori differenziali fanno sempre riferimento a una corrente di guasto nominale che, se raggiunta, li porta a
scattare.
La soglia di reazione e le tolleranze dipendono, tra i vari fattori, dal tipo di interruttore differenziale. Solitamente si
distingue tra i seguenti tipi: A, B e AC.
La soglia di reazione di un interruttore differenziale del tipo A è tipicamente indicata con un range di tolleranza,
ad es. +0% / -50%. Ciò significa, ad esempio, che un interruttore differenziale con INOM = 30 mA deve reagire
sicuramente a partire da una corrente differenziale pari a 30 mA, mentre non deve avere alcuna reazione al di sotto di
15 mA. Nella pratica scatta sempre tra 15 mA e 30 mA.
Scatto con corrente di compensazione
La corrente di compensazione influenza la reazione dell’interruttore differenziale, come evidenziato nell’esempio.
Esempio: in un impianto FV con interruttore differenziale sul lato CA che scatta in presenza di 30 mA, si genera una
corrente di dispersione capacitiva di Ic = 24 mA in seguito a un forte rovescio di pioggia. In un caso normale ciò potrebbe
far scattare l’interruttore differenziale.
Con l’ausilio di una corrente di compensazione pari a Icomp = 13 mA la corrente differenziale attiva nell’interruttore
differenziale può essere ridotta di questo valore; la corrente di dispersione che ne risulta ammonta quindi solo a
Icap netta = 11 mA (24 mA - 13 mA = 11 mA). In questo modo è possibile evitare che l’interruttore differenziale scatti in
seguito a corrente di dispersione dovuta alla pioggia.
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6 Compensazione delle correnti di dispersione capacitiva
Figura 5: Rappresentazione grafica dello scatto con corrente di compensazione
Dimensionamento di un condensatore di compensazione
Per il dimensionamento del condensatore occorre prestare attenzione al fatto che la corrente di compensazione sia
sempre inferiore a quella della soglia più bassa di reazione, poiché altrimenti la corrente di compensazione stessa può
far scattare l’interruttore differenziale.
La capacità Ccomp del condensatore di compensazione può essere determinata nel seguente modo:
Ccomp = Icomp/(Urete x 2 π f)
con
Urete = 230 V
f = 50 Hz
Icomp = corrente di compensazione desiderata
Per Icomp < 15 mA risulta un condensatore con una capacità massima pari a Ccomp < 208 nF
Viene impiegato qui il valore standard più piccolo successivo con Ccomp = 150 nF (+/- 20%) e una corrente di
compensazione effettiva di Icomp = 11 mA (+/- 20%)
Altre caratteristiche del condensatore:
• Tipo: classe X2
• Picco impulso di tensione in funzionamento ≥ 2,5 kV
• Tensione nominale: almeno 230 V CA
Tabella dimensionamento
Negli interruttori differenziali con correnti nominali più elevate, è possibile aumentare di conseguenza anche la corrente
di compensazione, per evitare che l’interruttore scatti in modo indesiderato in seguito a correnti di dispersione capacitiva.
Corrente nominale
Soglia di reazione
interruttore differenziale inferiore (-50% Inom)
Capacità consigliata
Corrente di
compensazione
30 mA
15 mA
150 nF
11 mA
50 mA
25 mA
330 nF
24 mA
Efficienza dell’interruttore differenziale
Nel caso si verifichi un’effettiva corrente di guasto, l’interruttore differenziale resta sempre efficiente anche con
queste misure di compensazione per le correnti di dispersione.
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6 Compensazione delle correnti di dispersione capacitiva
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Allacciamento del condensatore di corrente di compensazione all’interruttore differenziale
Figura 6: Rappresentazione schematica dell’allacciamento di un condensatore di compensazione all’interruttore differenziale
Conclusione
La compensazione di correnti di dispersione secondo il metodo sopra descritto può rappresentare un aiuto efficace negli
impianti in cui è possibile che l’interruttore differenziale scatti occasionalmente in presenza di cattive condizioni
climatiche (ad es. pioggia forte), riducendo la frequenza di scatto o addirittura eliminandola del tutto.
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7 Lista di controllo
7 Lista di controllo
Già durante la fase di progettazione sarebbe opportuno controllare che tutti gli impianti FV rispettino i requisiti sopra
indicati. In caso di dubbio, si consiglia vivamente di coinvolgere il produttore dei moduli FV nel processo di
progettazione. Ciò vale in modo particolare quando un tipo di modulo FV deve essere messo in funzione per la prima
volta con un inverter senza trasformatore.
Inoltre consigliamo le seguenti operazioni di controllo:
1. Il modulo FV in questione possiede le caratteristiche sopra indicate (laminato, lato posteriore in metallo integrato)?
In caso affermativo, valutare la capacità in base ai seguenti criteri:
– Definire la distanza del modulo FV dal tetto e la superficie del modulo FV. Il risultato si colloca già sotto la linea
rossa del grafico rappresentato in basso?
– In caso affermativo: è possibile che l’interruttore differenziale scatti involontariamente in presenza di basse
correnti nominali. Una compensazione può essere d’ausilio.
2. Rivolgersi al produttore dei moduli FV. La capacità parassita è nota?
3. Il metodo più sicuro per identificare possibili problemi durante il montaggio e il funzionamento dell’impianto FV è
l’approvazione del progetto dell’impianto da parte del produttore dei moduli FV. SMA Solar Technology AG
supporta volentieri i produttori di moduli FV in questo compito.
Contatto
[email protected]
Tel.: +39 02 8934 7200
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