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MANUALI TECNICI

SCARICATORI PER IMPIANTI FOTOVOLTAICI

L’installazione degli impianti fotovoltaici all’esterno non comporta un aumento significativo dei rischi rispetto a un impianto tradizionale domestico. La probabilità di fulminazione non aumenta, a condizione che le componenti metalliche dell’impianto fotovoltaico non elevino in modo sostanziale l’altezza dell’edificio.

Tuttavia, in zone ad alto rischio di fulminazione, è bene valutare la necessità o meno di realizzare un sistema LPS (Lightning Protection System) in quanto i costi sono elevati.

Nel caso esista già un impianto di protezione dalle scariche atmosferiche LPS, l’impianto di messa a terra di protezione è opportuno che sia collegato a quello per la protezione dai fulmini.

SPD (Surge Protection Device) 

SPD (Surge Protection Device) è un dispositivo di protezione progettato per salvaguardare gli impianti elettrici, e in particolare quelli fotovoltaici, da sovratensioni transitorie causate da eventi atmosferici come fulmini, temporali o scariche atmosferiche. Nei sistemi fotovoltaici, le sovratensioni possono danneggiare componenti critici come inverter, moduli fotovoltaici, cablaggi e dispositivi di controllo, compromettendo la produzione energetica e aumentando i costi di manutenzione e riparazione.

Lo SPD agisce come un elemento di bypass che si attiva in presenza di tensioni superiori a una soglia predefinita. Quando si verifica una sovratensione, il dispositivo devia la corrente indesiderata verso terra, impedendo che questa raggiunga e danneggi le apparecchiature protette. La sua efficacia deriva dalla capacità di rispondere rapidamente (nell’ordine di nanosecondi) e dalla sua resistenza a elevate correnti di scarica.

Il funzionamento di un SPD si può riassumere in tre fasi:

• In assenza di sovratensioni il circuito si comporta come se l’SPD non ci fosse in quanto l’alto valore di impedenza equivale ad un circuito aperto.

• In presenza di una sovratensione l’SPD riduce la sua impedenza e la corrente associata alla sovratensione fluisce attraverso il dispositivo senza interessare le apparecchiature da proteggere. La tensione ai suoi capi viene mantenuta entro valori prefissati (Up).

• Al cessare del fenomeno di sovratensione l’impedenza dell’SPD ritorna al valore iniziale e l’isolamento del circuito viene ripristinato.

 

Le protezioni devono essere collocate sul lato della corrente continua e, a seconda della distanza tra l’inverter e il punto di origine dell’impianto, anche sul lato della corrente alternata (CEI 64-8/7:2004, punto 712.433.101).

In linea generale gli SPD devono essere installati sul lato corrente continua dell’impianto quando:

L ≥ Lcrit

Dove: L= è la massima lunghezza del percorso (in metri) tra il convertitore (inverter) e i punti di collegamento dei moduli fotovoltaici delle diverse stringhe; Lcrit (m)= dipende dal tipo di impianto FV ed è calcolata come dalla tabella del calcolo della lunghezza critica Lcrit.

Dove: Ng= indica la densità dei fulmini al suolo (fulmini/km²/anno) nell’area della linea di alimentazione e delle strutture collegate (per i valori vedere articolo A.1 della CEI EN 62305-2:2012)

TENSIONE DI TENUTA DELLE APPARECCHIATURE

Le tensioni nominali a impulso Uw dei moduli e dell’inverter devono essere dichiarate dal costruttore, se queste informazioni mancassero si potrebbero utilizzare i valori riportati in questa tabella (i valori della tabella non si applicano al lato corrente alternata dell’inverter):

 

La tensione nominale a impulso Uw (CEI EN 61439) è il valore di picco di un impulso di tensione che un circuito può sopportare in condizioni definite. Questo valore deve essere uguale o superiore alle sovratensioni transitorie che si verificano nel sistema in cui l’apparecchiatura è inserita.

Nella pratica sono dei picchi di tensione che si propagano sulla linea di alimentazione, e in genere sono di durata inferiore ad 1 ms., con ampiezza che può raggiungere un valore oltre 20 volte quello della tensione nominale di alimentazione.

La tensione a vuoto Uoc è il valore di picco della tensione a vuoto erogata dal generatore di prova.

Componenti principali dello SPD

1. Elementi di protezione:
   • Varistori in ossido di metallo (MOV): sono i componenti più comuni, caratterizzati da una resistenza che si riduce drasticamente sotto sovratensioni e si ripristina quando la tensione ritorna a livelli normali.
   • Diodi TVS (Transient Voltage Suppressors): utilizzati in alcune applicazioni per limitare picchi di tensione molto rapidi.
   • GDT (Gas Discharge Tube): tubi a scarica a gas che si comportano come interruttori per sovratensioni elevate.
2. Elementi di scarico:
   • Permettono di deviare la corrente di scarica verso terra in modo sicuro.
3. Componenti di monitoraggio e indicazione:
   • Led o display per indicare lo stato di funzionamento dell’SPD.
   • Pulsanti di test o di reset, in alcuni modelli.
4. Sistema di messa a terra:
   • Fondamentale per garantire che le sovratensioni siano adeguatamente scaricate.

Criteri di selezione di uno SPD

Per scegliere correttamente uno SPD per un impianto fotovoltaico, bisogna considerare:

• Tensione nominale (Un): tensione di esercizio dell’impianto.
• Tensione di guasto (UP): soglia di tensione oltre la quale lo SPD si attiva.
• Capacità di gestione dell’energia (Imax o In): massimo impulso di energia che il dispositivo può scaricare senza danneggiarsi.
• Classe di protezione: definita in base alla posizione e al tipo di protezione.
• Compatibilità con il sistema di terra: importante per garantire la sicurezza.

SCHEMA INSTALLAZIONE SPD

L’installazione dei SPD tra i conduttori attivi e terra può essere:

• Diretta, se ogni SPD è collegato tra il conduttore attivo e il riferimento di terra;

• A Y, se gli SPD tra i conduttori attivi sono in serie e un punto intermedio è collegato a terra tramite un altro SPD.

Lo schema di installazione a Y è utilizzato quando i singoli SPD hanno una tensione di esercizio continuativo insufficiente per sopportare la tensione del generatore fotovoltaico (Uc ≤ 1,25 Uoc).

In caso di installazione diretta di un SPD con una tensione di esercizio continuativa non adatta e un guasto a terra su uno dei conduttori attivi, l’SPD collegato al conduttore non danneggiato sarebbe sottoposto alla tensione generata dal sistema fotovoltaico, rischiando di esplodere.

Gli SPD garantiscono la protezione delle sovratensioni sia dei moduli che dell’inverter. Per convenzione la norma rappresenta la corrente di un fulmine con la forma d’onda 10/350 μs (μs sta per microsecondo= 10⁻⁶ secondi), mentre le correnti associate alle sovratensioni per accoppiamento induttivo sono rappresentate con la forma d’onda 8/20 μs, e vi elenco i parametri, a mio parere, più importanti:

• Tensione massima continuativa Uc: è il valore di tensione efficace o continua che si può applicare al dispositivo SPD senza provocarne l’intervento;

Per gli impianti isolati da terra la massima tensione continuativa degli SPD, per il lato corrente continua, potrebbe essere definita utilizzando questo metodo semplificato, valutando la massima tensione a vuoto dell’impianto:

Uc (SPD)= Voc STC * N * K

Dove: Uc (SPD)= massima tensione continuativa degli SPD in CC; Voc STC (Standard Test Condition) = tensione a circuito aperto del modulo FV; K=1,20= coefficiente di compensazione della tensione; N= numero dei moduli di ogni stringa.

• La corrente impulsiva Iimp è il valore di picco della corrente che circola nell’SPD con forma d’onda 10/350 µs usata per classificare gli SPD di classe I;

• La corrente di scarica nominale In è valore di picco della corrente che circola nell’SPD con forma 8/20 µs usata per classificare gli SPD di classe II (deve essere garantito l’intervento per 20 volte senza deteriorarsi);

 

• La tensione a vuoto Uoc è il valore di picco della tensione a vuoto erogata dal generatore di prova con forma d’onda 1,2/50 μs, contemporaneamente ad una corrente di corto circuito con forma d’onda 8/20 μs e applicata ai morsetti dell’SPD. Viene utilizzata per identificare gli SPD in classe di prova III.

 

• La corrente di scarica massima Imax è il valore di picco della corrente che circola nell’SPD con forma 8/20 µs che è in grado di sopportare almeno una volta senza danneggiarsi.

Le figure d’onda viste in precedenza si riferiscono alle forme standardizzate usate per rappresentare i fenomeni elettrici causati da scariche atmosferiche:

• il primo numero rappresenta il tempo di salita, il secondo è il tempo di decadimento (es. 8/20 µs dove 8 µs è il tempo di salita, e 20 µs è il tempo di decadimento).

 Le opzioni più comunemente prese in considerazione sono:

• forma di corrente 10/350 µs: rappresenta la corrente legata al primo colpo di un fulmine;
• forma di corrente 25/100 µs: rappresenta la corrente legata ai colpi successivi;
• forma di corrente 8/20 µs: è la corrente associata alla sovratensione indotta in un circuito dalla corrente di un fulmine;
• forma di tensione 2/50 µs: rappresenta la forma della sovratensione causata dalla caduta di un fulmine.

Quando si deve scegliere uno scaricatore non ci si deve basare sul valore tipicamente più alto rappresentato dalla corrente massima di scarica (Imax) in quanto non è un dato né utile né utilizzabile per scegliere un SPD.

Analizzando le definizioni della corrente massima di scarica (Imax) e della corrente nominale di scarica (In) si evince che:

• La corrente massima di scarica Imaxè il valore massimo della corrente con forma d’onda 8/20 µs dichiarata dal produttore che può circolare nello SPD senza danneggiarlo;
• La corrente nominale di scarica In è il valore di picco della corrente d’impulso con forma d’onda 8/20 µs di prova che circola nell’SPD, utilizzata per classificare l’SPD nella Classe di prova II.

Si intuisce che lo scaricatore non viene testato n volte alla Imax ma bensì alla corrente nominale di scarica In, ossia quel valore a cui lo scaricatore è progettato per lavorare durante il corso della sua vita. Tale valore non è pensato per essere superato poiché in tal caso non sarebbe garantita l’integrità del dispositivo.

Per cui lo scaricatore viene testato almeno una volta alla corrente massima di scarica Imax e questo significa che l’SPD può raggiungere solo una volta il valore della corrente massima di scarica Imax senza danneggiarsi e raggiungere il suo fine vita.

Per questo motivo risulta chiaro del perché è necessario fare riferimento al valore della corrente nominale di scarica In per la scelta dello scaricatore: scegliendo un valore per cui lo scaricatore possa lavorare più volte, e in sicurezza.

Tipologie di SPD per impianti fotovoltaici

Gli SPD sono classificati in base alla loro posizione nell’impianto e alla loro capacità di gestione delle sovratensioni:

• SPD di tipo 1:
  • Installati sulla linea di ingresso principale, in prossimità del punto di connessione con la rete di distribuzione.
  • Proteggono principalmente da fulmini diretti e scariche atmosferiche che entrano dall’esterno.
  • Sono progettati per gestire scariche di alta energia.

 

• SPD di tipo 2:
  • Collocati in punti strategici all’interno dell’impianto, ad esempio vicino agli inverter o nelle cassette di distribuzione.
  • Proteggono da sovratensioni di origine interna o indotte da eventi atmosferici indiretti.
  • Gestiscono sovratensioni di energia moderata e transitorie.

 

• SPD di tipo 3:
  • Posizionati vicino alle apparecchiature delicate come inverter, pannelli o sistemi di controllo.
  • Proteggono da sovratensioni residuali o di breve durata.

Per impianti fotovoltaici, è comune adottare una combinazione di SPD di tipo 1 e di tipo 2 per garantire una protezione completa.

Per la protezione dell’inverter, è sufficiente inserire opportuni SPD tra i conduttori attivi e terra, e mettere a terra entrambe le estremità gli schermi dei cavi o posare i cavi in tubazioni o canali metallici chiusi. Spesso gli inverter hanno già una protezione interna contro le sovratensioni, ma è consuetudine aggiungere degli SPD esterni tra i morsetti e terra, sia per incrementare la protezione sia per cercare di evitare che intervengano le protezioni interne che mandano l’inverter in standby con conseguente perdita di produttività.

Gli SPD installati ai morsetti dell’inverter tra i conduttori attivi e terra dovrebbero avere, secondo l’orientamento internazionale, le seguenti caratteristiche:

• Classe II (tipo 2)
• Tensione di esercizio continuativo Uc ˃ 1,25 Uoc
• Capacità di estinguere la corrente di cortocircuito (con o senza fusibile), superiore alla corrente di cortocircuito nel punto di installazione (si può utilizzare l’eventuale fusibile di stringa, se ha le caratteristiche indicate dal costruttore dell’SPD, ma il suo intervento riduce la potenza del generatore FV);
• Livello di protezione Up ≤ 0,9 Uwi, dove Uwi è la tensione di tenuta ad impulso (porta c.c.) dell’inverter indicata dal costruttore (la categoria di sovratensione e tensione di tenuta a impulso Uwi è riportata nella tabella).

• Corrente massima di scarica Imax ≥ 5 kA (in genere un SPD con Imax=5kA presenta una corrente nominale di scarica In=2,5 kA, secondo la norma EN 62305-I, tuttavia, il valore di corrente associato a una sovratensione indotta da un fulmine che cade a terra in prossimità dell’edificio è inferiore a 200 A.

Se la distanza tra inverter e i moduli non è eccessiva (˂10 m) gli SPD montati ai morsetti dell’inverter proteggono anche i moduli.

Se gli SPD sono lontani dai morsetti, per quanto riguarda la protezione dell’inverter, si devono rispettare le distanze limite permesse e sono valutate dalle seguenti relazioni:

• d ≤ (0.9 Uwm – Up) / 40 se l’area della spira formata dai conduttori attivi e dal conduttore di protezione è fino a 50 m²;
• d ≤ (0.9 Uwm – Up) / 8 se l’area della spira formata dai conduttori attivi e dal conduttore di protezione è fino a 10 m²;
• d ≤ (0.9 Uwm – Up) / 0.8 se l’area della spira formata dai conduttori attivi e dal conduttore di protezione è fino a 0.5 m².

Dove: Uwm è la tensione di tenuta all’impulso dei moduli; Up è il valore massimo della tensione tra i morsetti dell’SPD in presenza di una sovratensione impulsiva, ed è un parametro fondamentale per la corretta selezione dell’SPD; occorre tenerne conto in riferimento alla tensione impulsiva delle apparecchiature da proteggere.

Se le distanze effettive sono maggiori di quelle massime è necessario installare ulteriori SPD dedicati per i pannelli, ad esempio nei quadri di parallelo, a monte dei dispositivi di sezionamento, in modo che i pannelli siano protetti anche con il sezionatore aperto.

 

 SPD LATO CORRENTE ALTERNATA

Un impianto fotovoltaico collegato in parallelo alla rete è soggetto a sovratensioni indotte da fulmini che colpiscono terra in prossimità della struttura, ma anche da sovratensioni provenienti dalla linea.

Se l’impianto è dotato di un trasformatore che separa la parte di rete (MT) l’inverter è protetto dalle sovratensioni, se non è presente (BT) occorre provvedere all’installazione di un SPD che dovrebbe avere le seguenti caratteristiche:

• classe I (tipo 1). Analizzato il rischio si potrebbe optare per un SPD di classe 1 con Imp=5kA, o di tipo 2 (classe II),
• Tensione di esercizio continuativo Uc ˃ 1,1 Uo (dove Uo è la tensione verso terra: sistemi TT e TN (vedi glossario). Se il sistema è IT (vedi glossario) deve essere Uc ˃ 1,73 Uo.
• Livello di protezione effettivo Up/f ≤ 0,9 Uwi (dove Uwi è la tensione di tenuta a impulso (porta in c.a. dell’inverter indicata nella documentazione fornita dal costruttore).

Per una protezione efficace il livello di protezione effettivo (Up/f) deve essere inferiore alla tensione di tenuta ad impulso (Uw) delle apparecchiature da proteggere Up/f < Uw

Il Livello di Protezione Effettivo (Up/f) viene definito nel modo seguente:

• Up/f= Up + ∆U: per SPD a limitazione (vedi glossario);
• Up/f = valore più elevato tra Up e ∆U per SPD a commutazione (vedi glossario).
• Corrente impulsiva di scarica Iimp ≥ 10 kA;
• Capacità di estinguere la corrente di cortocircuito a 50 Hz, superiore alla corrente di cortocircuito nel punto di installazione.

Dove:

∆U= è la caduta induttiva pari a 1 kV/m che si manifesta, quando è innescato, sui collegamenti tra SPD verso i conduttori attivi e il riferimento di terra a cui è collegato l’inverter (per limitare la caduta di tensione ∆U è conveniente limitare la lunghezza dei collegamenti. Il coefficiente di sicurezza 0,9 tiene conto del deterioramento dell’SPD nel tempo.

Il dispositivo di protezione contro le sovratensioni, se richiesto dal costruttore, deve essere dotato di un sistema di disconnessione esterna. Tali dispositivi devono essere progettati per scollegare automaticamente l’SPD in caso di malfunzionamento e devono operare in modo autonomo, indipendentemente dalla corrente generata dai moduli fotovoltaici.

 RIEPILOGO DEI VARI TIPI DI INSTALLAZIONE SPD

 A livello informativo vi riepilogo i diversi tipi di installazione SPD da attuare negli impianti fotovoltaici (da CEI-64-8/7-2024-07).

Normative di riferimento

L’installazione di SPD in impianti fotovoltaici è regolamentata da normative nazionali e internazionali:

• CEI 81-10 (normativa italiana): Stabilisce le modalità di protezione delle parti di impianto contro le sovratensioni, raccomandando l’installazione di SPD sui sistemi di produzione fotovoltaici.
• EN 50539-11: Specifica i requisiti di sicurezza e le caratteristiche delle apparecchiature di protezione contro le sovratensioni.
• Norme CEI EN 62305: Norme internazionali relative alla protezione contro i fulmini e le sovratensioni.

L’installazione deve rispettare anche le norme di messa a terra e di cablaggio, assicurando che le protezioni siano efficaci e che i dispositivi siano compatibili con le caratteristiche dell’impianto.

Esempio su come sono installati gli scaricatori su un impianto fotovoltaico in parallelo con la linea elettrica.

Considerazioni pratiche e best practice

• Impianti di terra:
  • Essenziali per garantire l’efficacia dello SPD.
  • Devono essere conformi alle normative e adeguatamente dimensionati.
• Ridondanza:
  • In impianti di grandi dimensioni, è consigliabile installare più SPD in serie o parallelo per aumentare la sicurezza.
• Qualità del dispositivo:
  • Preferire SPD certificati e conformi alle norme europee (ad esempio IEC 61643-11).
• Integrazione con sistemi di monitoraggio:
  • Dispositivi con sistemi di allarme o comunicazione remota facilitano il controllo e la gestione.

NOTA: Tutte le informazioni sugli scaricatori sono state reperite dal mio manuale. 

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