Come integrare la protezione contro le sovratensioni sia sul lato CA che su quello CC di un sistema fotovoltaico?

Integrare un dispositivo di Protezione dagli Impulsi integrare un sistema fotovoltaico non è semplicemente una questione di collegare un componente ed andare avanti. Richiede un approccio intenzionale, basato sull’ingegneria, che tenga conto delle caratteristiche elettriche peculiari sia del lato in corrente alternata (CA) sia di quello in corrente continua (CC) dell’impianto. Transienti indotti da fulmini, sovratensioni da commutazione e disturbi della rete possono generare picchi di tensione distruttivi che si propagano attraverso il sistema, danneggiando gli inverter, le scatole di combinazione, le apparecchiature di monitoraggio e persino i moduli fotovoltaici stessi. Senza un posizionamento adeguato dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni su entrambi i lati, un singolo evento transitorio può causare fermi prolungati e costose sostituzioni di apparecchiature.

Questo articolo illustra in dettaglio la logica completa di integrazione per il posizionamento dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni sia sul lato stringa CC e campo fotovoltaico, sia sul lato di connessione alla rete CA di un impianto fotovoltaico. Che si tratti di progettare un impianto commerciale su tetto o un progetto su scala industriale con installazione a terra, è fondamentale comprendere dove posizionare ciascun dispositivo di protezione contro le sovratensioni, come selezionarne correttamente le specifiche tecniche e come cablarli e mantenerli in modo adeguato per garantire l'affidabilità a lungo termine del sistema. Le indicazioni qui fornite si basano sull'esperienza pratica sul campo e sono allineate alle norme IEC 61643 e IEC 62305, che regolamentano la protezione contro le sovratensioni negli ambienti fotovoltaici.

Comprensione dei rischi da sovratensione negli impianti fotovoltaici

Perché gli impianti fotovoltaici sono particolarmente vulnerabili

I sistemi fotovoltaici sono esposti continuamente all'ambiente esterno, il che li rende intrinsecamente suscettibili a fulmini e scariche atmosferiche. Le lunghe tratte di cavo tra i campi fotovoltaici e gli inverter agiscono come antenne, captando l'energia elettromagnetica indotta da fulmini vicini, anche quando non si verifica un colpo diretto. Questa energia indotta viaggia come sovratensione transitoria sia lungo i cavi in corrente continua (DC) provenienti dai moduli, sia lungo i cavi in corrente alternata (AC) diretti verso il punto di connessione alla rete.

Sul lato DC, la tensione a vuoto di una stringa fotovoltaica può già essere di alcune centinaia di volt nelle condizioni standard. Quando un transitorio si sovrappone a questa tensione di riferimento, la picco combinato può facilmente superare la capacità di tenuta degli stadi di ingresso dell'inverter, dei diodi di by-pass e scatola di giunzione componenti. Sul lato CA, gli eventi di commutazione della rete, le operazioni delle batterie di condensatori e i guasti dell'ente erogatore generano sovratensioni con rapida crescita che possono danneggiare lo stadio di uscita dell'inverter e qualsiasi strumentazione o apparecchiatura di comunicazione collegata.

Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni opportunamente selezionato e installato su ciascun lato intercetta queste sovratensioni prima che raggiungano l'elettronica sensibile. Il dispositivo limita la tensione a un livello sicuro e devia la corrente di sovratensione a terra, proteggendo così gli apparecchi a valle. Senza questo strato di protezione, anche una sovratensione moderata può degradare l'isolamento, provocare interruzioni ingiustificate o causare un immediato guasto dei componenti.

La natura bifacciale dell'esposizione alle sovratensioni nei sistemi FV

Uno degli errori più comuni nella progettazione della protezione contro le sovratensioni nei sistemi fotovoltaici consiste nel considerare il sistema come se avesse un solo punto vulnerabile. In realtà, le sovratensioni possono entrare da entrambe le direzioni. Un evento di fulminazione vicino all’impianto fotovoltaico immette energia sul lato CC, mentre una perturbazione della rete elettrica o la commutazione di carichi industriali nelle vicinanze immette energia dal lato CA. Entrambi i percorsi devono essere protetti in modo indipendente, con un dispositivo di protezione contro le sovratensioni dedicato in ciascuna posizione.

L’inverter si trova tra questi due lati ed è il singolo componente più costoso nella maggior parte degli impianti fotovoltaici. È inoltre il più vulnerabile, poiché i suoi componenti elettronici di potenza operano, durante il funzionamento normale, a tensioni prossime ai loro limiti massimi. Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni sui terminali di ingresso CC dell’inverter e un altro sui terminali di uscita CA creano un’area protettiva intorno a questo componente critico. Questo approccio a doppia protezione non è opzionale per gli impianti situati in zone ad alto rischio di fulmini né per alcuna installazione in cui i costi derivanti da fermi impianto siano rilevanti.

Integrazione del dispositivo di protezione contro le sovratensioni sul lato CC

Posizionamento nel quadro di combinazione delle stringhe

Il primo e più importante punto di installazione di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni sul lato CC è nella stringa scatola combiner , noto anche come quadro di combinazione CC o scatola di giunzione dell’impianto fotovoltaico. Qui convergono diverse stringhe fotovoltaiche prima che l’uscita CC combinata venga inviata all’inverter. Installare un dispositivo di protezione contro le sovratensioni in questo punto consente di intercettare le sovratensioni transitorie nel punto più precoce possibile del circuito CC, impedendo loro di propagarsi ulteriormente nel sistema.

Per questa posizione, il dispositivo di protezione contro le sovratensioni deve essere dimensionato per la massima tensione a circuito aperto in corrente continua dell’impianto alle condizioni di temperatura più sfavorevoli. Per sistemi funzionanti a 1000 V CC, il dispositivo deve presentare un valore di tensione di protezione e una tensione massima di esercizio continuo nettamente superiori a tale valore. Tra le classi di tensione più comuni utilizzate negli impianti fotovoltaici su larga scala e commerciali figurano le versioni da 1000 V CC e 1500 V CC, con valori di corrente d’impulso pari a 20 kA o 40 kA, a seconda della classificazione della zona di protezione contro i fulmini del sito.

Il dispositivo di protezione contro le sovratensioni nel quadro di combinazione deve essere collegato tra ciascun polo CC e il conduttore di terra di protezione. In una configurazione a due poli, ciò significa un dispositivo tra la rotaia positiva e la terra e un altro tra la rotaia negativa e la terra. Alcune installazioni utilizzano un dispositivo a tre poli o combinato che gestisce entrambi i poli contemporaneamente. La scelta dipende dalla configurazione di messa a terra del sistema e dal design specifico del dispositivo di protezione contro le sovratensioni.

Posizionamento all’ingresso CC dell’inverter

Anche quando un dispositivo di protezione contro le sovratensioni è installato nel quadro di combinazione, si raccomanda vivamente l'installazione di un secondo dispositivo ai morsetti di ingresso CC dell'inverter per i sistemi con lunghe distanze di cavo tra il quadro di combinazione e l'inverter. L'induttanza del cavo limita l'efficacia con cui un dispositivo di protezione contro le sovratensioni posto a distanza riesce a limitare un transitorio a rapida salita ai morsetti dell'inverter. La tensione residua che appare all'ingresso dell'inverter dopo il funzionamento del dispositivo installato nel quadro di combinazione può comunque essere sufficientemente elevata da sottoporre a stress i condensatori di ingresso e i moduli IGBT dell'inverter.

Il dispositivo di protezione contro le sovratensioni all'ingresso CC dell'inverter funge da seconda linea di difesa, catturando qualsiasi energia transitoria residua non completamente assorbita dal dispositivo a monte. Questo approccio a cascata, talvolta denominato schema di coordinamento di Tipo 1 più Tipo 2, rappresenta una pratica standard negli impianti fotovoltaici ben progettati. Il dispositivo all’ingresso dell’inverter è tipicamente un dispositivo di protezione contro le sovratensioni di Tipo 2 con una corrente di scarica inferiore, poiché il dispositivo a monte ha già assorbito la maggior parte dell’energia della sovratensione.

Il cablaggio corretto del dispositivo di protezione contro le sovratensioni sul lato CC è fondamentale. I conduttori di collegamento tra il dispositivo e il bus CC devono essere il più corti possibile, idealmente inferiori a 50 cm, per ridurre al minimo la caduta di tensione induttiva che si somma alla tensione di riferimento vista dall’inverter. L’utilizzo della lunghezza minima possibile dei conduttori di collegamento ed evitare curve superflue nei cavi di collegamento sono interventi pratici che migliorano in modo significativo l’efficacia dell’installazione del dispositivo di protezione contro le sovratensioni.

Integrazione del dispositivo di protezione contro le sovratensioni sul lato CA

Posizionamento all'uscita CA dell'inverter

Sul lato CA, la posizione principale per un dispositivo di protezione contro le sovratensioni è all'uscita CA dell'inverter, tipicamente all'interno o immediatamente accanto al sezionatore CA o al quadro di combinazione. Questa posizione protegge lo stadio di uscita dell'inverter dalle sovratensioni transitorie provenienti dalla rete e protegge inoltre qualsiasi apparecchiatura di monitoraggio, misurazione o comunicazione collegata al bus CA in questo punto.

Il dispositivo di protezione contro le sovratensioni scelto per il lato CA deve essere dimensionato per la tensione CA del sistema, che è tipicamente 230 V monofase o 400 V trifase per la maggior parte degli impianti fotovoltaici commerciali e industriali. Il dispositivo deve inoltre essere compatibile con la frequenza di rete e deve presentare una tensione massima di esercizio continuo che tenga conto delle normali fluttuazioni della tensione di rete. Per i sistemi trifase è richiesto un dispositivo di protezione contro le sovratensioni a tre poli o a quattro poli che copra tutti i conduttori di fase e il neutro.

La corrente d'impulso nominale del dispositivo di protezione contro le sovratensioni sul lato CA deve essere scelta in base alla zona di protezione contro i fulmini e alla distanza dall'ingresso principale dell'impianto. Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni di Tipo 2 con una corrente d'impulso nominale di 20 kA o 40 kA è adatto per la maggior parte delle applicazioni con uscita CA di impianti fotovoltaici. Qualora l’installazione sia situata in una zona ad alto rischio di fulmini o il tratto di cavo CA che collega l’impianto al quadro elettrico principale sia particolarmente lungo, potrebbe rendersi necessario installare un dispositivo di Tipo 1, con una corrente d'impulso nominale più elevata, a livello del quadro elettrico principale.

Posizionamento sul quadro elettrico principale CA o sul punto di comune accoppiamento

Per impianti fotovoltaici di grandi dimensioni che alimentano un quadro elettrico principale o un punto di comune accoppiamento con altri carichi, l’installazione di un ulteriore dispositivo di protezione contro le sovratensioni a livello del quadro elettrico garantisce una protezione estesa all’intero sistema. Questo dispositivo assorbe le sovratensioni provenienti dal lato della rete di distribuzione, impedendo loro di raggiungere non solo l’inverter, ma anche gli altri carichi sensibili collegati allo stesso quadro elettrico.

Il coordinamento tra il dispositivo di protezione contro le sovratensioni all'uscita CA dell'inverter e quello presente nel quadro elettrico principale segue la stessa logica a cascata adottata sul lato CC. Il dispositivo installato a livello di quadro elettrico, tipicamente di Tipo 1 o combinato Tipo 1 e Tipo 2, gestisce la sovratensione iniziale ad alta energia, mentre il dispositivo a livello di inverter intercetta l’energia residua. Questo approccio stratificato garantisce che nessun singolo dispositivo venga sovraccaricato e che la protezione rimanga efficace su un ampio intervallo di valori e forme d’onda delle sovratensioni.

Nella scelta del dispositivo di protezione contro le sovratensioni per il quadro elettrico principale, è importante verificare che il livello di protezione in tensione del dispositivo sia coordinato con la tensione impulsiva di tenuta dell’inverter e degli altri apparecchi collegati. Il livello di protezione del dispositivo di protezione contro le sovratensioni deve essere inferiore alla tensione di tenuta dell’apparecchio per garantire che il dispositivo limiti il transitorio prima che possa causare danni. Questa verifica di coordinamento costituisce un passaggio obbligatorio in qualsiasi progettazione professionale di protezione contro le sovratensioni per impianti fotovoltaici.

Pratiche consigliate per il collegamento a terra, il cablaggio e l’installazione

Il ruolo di un sistema di terra a bassa impedenza

Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni può svolgere efficacemente la propria funzione soltanto se dispone di un percorso a bassa impedenza verso terra, attraverso il quale possa deviare la corrente di sovratensione. Il sistema di messa a terra dell’impianto fotovoltaico è quindi altrettanto importante quanto il dispositivo di protezione contro le sovratensioni stesso. Un collegamento a terra ad alta resistenza o mal realizzato provocherà lo sviluppo di una tensione elevata ai capi del dispositivo di protezione contro le sovratensioni durante il suo funzionamento, riducendone l’efficacia e potenzialmente consentendo a tensioni dannose di raggiungere le apparecchiature protette.

Per gli impianti fotovoltaici, il sistema di messa a terra deve includere un apposito elettrodo di terra nella posizione dell'array, collegato al sistema strutturale di fissaggio e al terminale di terra del dispositivo di protezione contro le sovratensioni sul lato CC. Il dispositivo di protezione contro le sovratensioni sul lato CA deve essere collegato al conduttore principale di terra protettiva dell'edificio o dell'impianto. Tutti i collegamenti di terra devono utilizzare conduttori di sezione adeguata, tipicamente pari a 6 mm² o superiore per i conduttori di terra dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni, in modo da sopportare la corrente d'impulso senza una caduta di tensione eccessiva.

Il collegamento equipotenziale tra la messa a terra del lato CC, la messa a terra del lato CA e la messa a terra strutturale del sistema di fissaggio fotovoltaico è essenziale per prevenire l'innalzamento del potenziale di terra durante un evento di sovratensione. Quando diverse parti del sistema presentano potenziali di terra diversi durante un transitorio, la differenza di tensione tra di esse può danneggiare le apparecchiature anche se ciascun dispositivo di protezione contro le sovratensioni funziona correttamente. Un sistema di terra unificato e a bassa impedenza elimina tale rischio.

Monitoraggio e manutenzione dei dispositivi installati

Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni è un componente protettivo consumabile. Ogni volta che assorbe un evento di sovratensione, consuma parte della sua capacità protettiva. Dopo un forte evento di fulminazione o una serie di sovratensioni minori, il dispositivo potrebbe raggiungere la fine della sua vita utile e richiedere sostituzione. La maggior parte dei moderni dispositivi di protezione contro le sovratensioni pRODOTTI include un indicatore visivo di stato, tipicamente un finestrino che cambia colore o una bandierina che si abbassa, per segnalare quando il dispositivo è stato degradato e necessita sostituzione.

Incorporare i controlli dello stato dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni nel programma di manutenzione regolare del sistema fotovoltaico è una pratica semplice ma spesso trascurata. Un'ispezione visiva trimestrale di tutti i dispositivi installati, abbinata a un controllo successivo a ogni evento di fulminazione significativo nella zona, garantisce che la protezione rimanga attiva. Alcuni modelli avanzati di dispositivi di protezione contro le sovratensioni includono contatti per il monitoraggio remoto che possono essere collegati alla piattaforma SCADA o di monitoraggio del sistema, consentendo avvisi automatici quando un dispositivo necessita di sostituzione.

La sostituzione di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni degradato deve essere effettuata tempestivamente. Far funzionare un sistema fotovoltaico con un dispositivo di protezione contro le sovratensioni guasto sul lato CA o CC espone completamente l'inverter e gli apparecchi associati al prossimo evento transitorio. Considerando il costo relativamente contenuto di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni rispetto al costo della sostituzione dell'inverter o della perdita di produzione del sistema, la manutenzione tempestiva rappresenta una scelta economica semplice e razionale.

Selezione del dispositivo di protezione contro le sovratensioni adatto per applicazioni fotovoltaiche

Parametri elettrici fondamentali da valutare

La selezione del dispositivo di protezione contro le sovratensioni corretto per un’applicazione fotovoltaica richiede la valutazione di diversi parametri elettrici fondamentali. La tensione massima di funzionamento continuo del dispositivo deve superare la tensione più elevata che si presenterà ai suoi morsetti in condizioni operative normali, comprese le tolleranze della tensione di rete. Per i dispositivi installati sul lato CC, ciò significa tenere conto della tensione a vuoto massima dell’impianto fotovoltaico alla temperatura ambiente più bassa prevista, poiché la tensione dei moduli fotovoltaici aumenta al diminuire della temperatura.

La corrente nominale di scarica e la corrente d'impulso massima determinano quanta energia da sovratensione il dispositivo di protezione contro le sovratensioni è in grado di gestire. Questi valori devono essere adeguati alla classificazione della zona di protezione contro i fulmini del sito di installazione, che viene stabilita in base alla densità locale di fulmini a terra e alle caratteristiche fisiche della struttura. Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni con una corrente d'impulso nominale di 40 kA offre un margine di sicurezza superiore rispetto a un dispositivo da 20 kA ed è adatto per ubicazioni esposte o per impianti di elevato valore.

Il livello di protezione da sovratensione del dispositivo di protezione contro le sovratensioni, espresso in kilovolt, indica la tensione massima che appare ai morsetti del dispositivo durante un test standardizzato di sovratensione. Questo valore deve essere inferiore alla tensione di tenuta agli impulsi dell'apparecchiatura da proteggere. Per gli inverter fotovoltaici, la tensione di tenuta agli impulsi sull'ingresso CC è tipicamente specificata nel foglio dati del prodotto e il dispositivo di protezione contro le sovratensioni deve essere scelto in modo che il suo livello di protezione garantisca un margine adeguato al di sotto di tale valore.

Norme di conformità e requisiti di certificazione

Per le applicazioni fotovoltaiche, il dispositivo di protezione contro le sovratensioni deve essere conforme alla norma IEC 61643-11 per i dispositivi sul lato CA e alla norma IEC 61643-31 per i dispositivi sul lato CC. Queste norme definiscono i metodi di prova, i requisiti prestazionali e i requisiti di marcatura per i dispositivi di protezione contro le sovratensioni utilizzati rispettivamente nei sistemi di alimentazione a bassa tensione e negli impianti fotovoltaici. La conformità a tali norme garantisce che il dispositivo sia stato sottoposto a prove indipendenti e verificato in modo da funzionare come specificato in condizioni standardizzate di sovratensione.

Oltre alla conformità alle norme IEC, molti mercati e specifiche di progetto richiedono la marcatura CE e la certificazione TÜV per i dispositivi di protezione contro le sovratensioni impiegati negli impianti fotovoltaici. Queste certificazioni offrono un’ulteriore garanzia della qualità del prodotto e della coerenza del processo produttivo. Quando si specifica un dispositivo di protezione contro le sovratensioni per un progetto fotovoltaico commerciale o su larga scala (utility-scale), verificare che il prodotto disponga delle certificazioni appropriate per il mercato di destinazione rappresenta un passaggio fondamentale nel processo di approvvigionamento.

Alcuni gestori della rete e alcune compagnie assicurative prevedono requisiti specifici per l’installazione dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni nei sistemi fotovoltaici connessi alla rete. Esaminare tali requisiti già nella fase iniziale della progettazione garantisce che il dispositivo di protezione contro le sovratensioni scelto rispetti tutti gli standard applicabili e che il metodo di installazione sia conforme alle norme elettriche locali. Le installazioni non conformi potrebbero incontrare problemi durante l’approvazione della connessione alla rete o nelle richieste di risarcimento assicurativo successive a un evento di perdita causato da sovratensione.

Domande frequenti

Ho bisogno di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni sia sul lato CA che su quello CC del mio sistema fotovoltaico?

Sì. Le sovratensioni possono entrare in un sistema fotovoltaico da entrambe le direzioni: dal lato dell’impianto durante eventi di fulminazione o dal lato della rete durante transitori di commutazione. Installare un dispositivo di protezione contro le sovratensioni su un solo lato lascia l’inverter e le apparecchiature ad esso collegate esposte ai transitori provenienti dal lato non protetto. Una strategia completa di protezione prevede l’installazione di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni sul lato CC, presso il combinatore CC o all’ingresso CC dell’inverter, e un secondo dispositivo sul lato CA, all’uscita CA dell’inverter o nel quadro elettrico principale.

Quale valore di tensione nominale devo scegliere per un dispositivo di protezione contro le sovratensioni sul lato CC?

Il dispositivo di protezione contro le sovratensioni deve avere una tensione massima continua di esercizio superiore alla tensione massima a vuoto dell’impianto fotovoltaico nelle condizioni di temperatura più fredda previste. Per sistemi progettati per funzionare a 1000 V in corrente continua, è richiesto un dispositivo di protezione contro le sovratensioni con una tensione nominale di 1000 V in corrente continua o superiore. Per i sistemi a 1500 V in corrente continua, deve essere utilizzato un dispositivo con una tensione nominale di 1500 V in corrente continua. Quando si seleziona la tensione nominale del dispositivo, aggiungere sempre un margine di sicurezza rispetto alla tensione massima calcolata dell’impianto.

Con quale frequenza devo ispezionare o sostituire un dispositivo di protezione contro le sovratensioni in un impianto fotovoltaico?

Un'ispezione visiva di tutte le unità installate di dispositivi di protezione contro le sovratensioni deve essere effettuata almeno ogni tre mesi e dopo ogni attività significativa di fulmini nella zona. La maggior parte dei dispositivi include un indicatore di stato che ne modifica l’aspetto quando il dispositivo è degradato. Qualsiasi dispositivo di protezione contro le sovratensioni che mostri un’indicazione di guasto deve essere sostituito tempestivamente. Anche in assenza di degrado visibile, i dispositivi installati in aree con elevata attività di fulmini potrebbero beneficiare di una sostituzione preventiva ogni cinque-sette anni.

Posso utilizzare un dispositivo standard di protezione contro le sovratensioni in corrente alternata (AC) sul lato in corrente continua (DC) di un sistema fotovoltaico?

No. I dispositivi standard di protezione contro le sovratensioni in corrente alternata non sono adatti per applicazioni in corrente continua. Nei circuiti in corrente continua non esiste un naturale passaggio della corrente per lo zero; ciò significa che, una volta che un dispositivo di protezione contro le sovratensioni inizia a condurre, deve interrompere attivamente la corrente di follow-up per evitare un arco elettrico persistente. I dispositivi di protezione contro le sovratensioni specificatamente progettati per la corrente continua sono dotati di meccanismi di estinzione dell’arco e di componenti con caratteristiche nominali appropriate per le tensioni e le correnti in corrente continua. L’utilizzo di un dispositivo progettato per corrente alternata in un circuito in corrente continua comporta un grave rischio di incendio e di pericolo per la sicurezza.