Protezione contro le sovratensioni CA e CC: qual è la differenza?

La protezione contro le sovratensioni è fondamentale per la sicurezza e l'operatività dei moderni sistemi elettrici. Scegliere il giusto Dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD) inizia con la comprensione di come i sistemi CA e CC si comportano diversamente sotto i transitori, in particolare l'estinzione dell'arco (AC zero-crossing vs DC senza zero-crossing) e la progettazione dei componenti (MOV bidirezionali vs unidirezionali). Questa guida spiega la differenza tra SPD CA e SPD CC, mappa gli standard IEC/UL applicabili e mostra come selezionare un SPD che soddisfi le esigenze applicative e di conformità.

1. Introduzione

Le sovratensioni transitorie, note anche come sovratensioni, sono picchi di tensione di breve durata che possono danneggiare o distruggere apparecchiature elettroniche sensibili. Queste sovratensioni possono essere causate da fulmini, operazioni di commutazione della rete, commutazione di carichi di grandi dimensioni o avviamenti di apparecchiature induttive. I dispositivi SPD, chiamati anche soppressori di sovratensione o scaricatori di sovratensione, sono progettati per rilevare e deviare questi picchi prima che raggiungano le apparecchiature protette.

Ma non tutti i surge – o SPD – sono uguali. I sistemi CA (corrente alternata) e CC (corrente continua) mostrano comportamenti elettrici molto diversi e, come tali, richiedono approcci distinti per la protezione dalle sovratensioni. Per CEI EN 61643-11/-31, un SPD limita la tensione di picco e devia la corrente di picco in nanosecondi, proteggendo le apparecchiature a valle.

2. Che cos'è la protezione da sovratensione CA?

Protezione contro le sovratensioni CA è progettato per sistemi elettrici in cui la tensione alterna periodicamente la direzione, in genere a 50 Hz o 60 Hz. Questi sistemi sono ampiamente utilizzati in abitazioni residenziali, edifici commerciali, fabbriche e reti di automazione industriale. Secondo CEI EN 61643-11, gli SPD CA sono classificati in Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 3, ciascuno destinato a un diverso punto di installazione all'interno del sistema di distribuzione.

Caratteristiche principali degli scaricatori AC

• Funziona con tensioni di rete comuni come 115 V, 230 V, 400 V e fino a 690 V CA.

• Funzionamento bidirezionale per gestire la commutazione della polarità delle onde sinusoidali CA.

• Estinzione dell'arco attraverso passaggi naturali per lo zero della forma d'onda AC, che rende la disconnessione più sicura ed efficiente.

• MOV (varistori a ossido di metallo) comunemente utilizzati per assorbire l'energia di picco; negli SPD di Tipo 1, i MOV sono spesso combinati con GDT (tubi a scarica di gas) o camere ad arco per resistere agli impulsi dei fulmini ad alta energia (forme d'onda 10/350 µs).

• È richiesto il coordinamento con la protezione a monte (interruttore automatico o fusibile); la pratica migliore è mantenere la lunghezza del cavo dell'SPD quanto più corta possibile, idealmente <0,5 m, per ridurre al minimo la tensione residua.

Tipi di SPD per applicazioni CA

• SPD di tipo 1 – Installato all'ingresso di servizio; resiste alle correnti dirette di fulmine (Iimp 10/350 µs).

• SPD di tipo 2 – Installato sui quadri di distribuzione; protegge dalle sovratensioni di manovra e dai fulmini indiretti (In/Imax 8/20 µs).

• SPD di tipo 3 – Installato vicino ad apparecchiature sensibili; fornisce una protezione eccellente contro le sovratensioni residue.

Applicazioni tipiche

• Targhe di servizio principali (Tipologia 1)

• Quadri di distribuzione per edifici (Tipo 2)

• Quadri di controllo in ambienti industriali (Tipo 2)

• Protezione del punto di utilizzo o a livello di presa per dispositivi sensibili alimentati in CA (Tipo 3)

Esempio da Prodotto Britec AC SPD Allineare

• BR-50GR (Tipo 1): Approvato per Uc 275/320/440 V, con Iimp fino a 25 kA (10/350 µs); ideale per la protezione contro i fulmini degli ingressi di servizio nei sistemi TN/TT.

• BR-12.5M (ibrido di tipo 1+2): Gestisce sia gli impulsi dei fulmini che le sovratensioni di commutazione, rendendolo adatto per impianti industriali.

• BR-40 e BR-30FU (Tipo 2): dimensionato per Uc 275 V, con In 20 kA / Imax 40 kA (8/20 µs); il BR-30FU integra un fusibile di riserva, semplificando l'installazione e migliorando la sicurezza.

• BR-230/BR275-6 (Tipo 3): Progettato per la protezione di apparecchiature terminali, con bassa tensione residua (Up ≤ 1,5 kV).

3. Che cos'è la protezione da sovratensione CC?

Protezione contro le sovratensioni CC è progettato per sistemi a corrente continua, dove l'elettricità scorre in un'unica direzione senza passaggi naturali per lo zero. A differenza dei sistemi CA che beneficiano di inversioni periodiche di tensione, i sistemi CC presentano una sfida ingegneristica unica: gli archi non si autoestinguono. Ciò significa che gli SPD CC richiedono meccanismi di estinzione dell’arco, disconnessione termica e rilascio meccanico più robusti per garantire la sicurezza e prevenire l’instabilità termica.

Caratteristiche principali degli SPD CC

• Valori di tensione: Tipicamente progettato per tensioni da 500 V CC a 1500 V CC, per pannelli solari fotovoltaici, sistemi di accumulo di batterie (BESS) e reti CC a ricarica rapida.

• Selezione MOV unidirezionale: Per soddisfare la polarità CC, gli SPD CC utilizzano MOV unidirezionali, garantendo il corretto bloccaggio dei picchi per il flusso di corrente unidirezionale.

• Soppressione dell'arco: Poiché la CC non dispone di un passaggio per lo zero, gli SPD CC integrano sezionatori termici ad azione rapida, tubi a scarica di gas (GDT) o camere ad arco per interrompere in sicurezza le correnti di guasto.

• Gestione delle sovratensioni elevate: Costruito per assorbire sovratensioni ad alta energia con valori In/Imax fino a 20–40 kA (8/20 µs) e dispositivi di tipo 1+2 classificati per impulsi di fulmini Iimp.

• Conformità e Certificazione:

  • Deve essere conforme alla norma IEC 61643-31 (per SPD CC fotovoltaici) o UL1449 (per sistemi CC in Nord America, fino a 1500 V CC).

  • A seconda del progetto o dei requisiti regionali, i prodotti possono essere dotati di certificazioni aggiuntive TÜV, CB o UL per la conformità della rete e gli audit di sicurezza.

Applicazioni tipiche della protezione contro le sovratensioni CC

• Array solari fotovoltaici (protezione di stringhe o quadri elettrici, in genere 1000 V CC o 1500 V CC).

• Sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS) per soluzioni su scala di rete o microrete.

• Stazioni di ricarica per veicoli elettrici (EV), in particolare ricarica rapida CC.

• Torri per telecomunicazioni e sistemi di energia rinnovabile (convertitori per turbine eoliche, reti DC ibride).

Esempi da SPD DC di Britec Allineare

• BRPV3-1000 (SPD CC tipo 1+2)

  • Tensione nominale: Uc = 1000 Vcc

  • Corrente nominale dispersa: In = 20 kA

  • Corrente massima di scarica: Imax = 40 kA (8/20 µs)

  • Livello di protezione della tensione: Up ≤ 3,8 kV

  • Caratteristiche: Sezionatore termico + segnalazione remota per monitoraggio in tempo reale.

• BRPV3-1500 (SPD CC tipo 1+2)

  • Tensione nominale: Uc = 1500 Vcc

  • Corrente nominale dispersa: In = 20 kA

  • Corrente massima dispersa: Imax = 40 kA

  • Livello di protezione della tensione: Up ≤ 4,5 kV

  • Caratteristiche: Design della camera d'arco + interruttore termico, che garantisce un funzionamento affidabile negli impianti fotovoltaici e nelle infrastrutture per veicoli elettrici.

4. Qual è la differenza tra protezione da sovratensione CA e CC?

Sebbene a prima vista gli SPD CA e gli SPD CC sembrino simili, i principi di progettazione, gli standard e i requisiti applicativi sono molto diversi. La tabella seguente riassume le principali differenze tra SPD CA e SPD CC:

4.1 Caratteristiche della corrente elettrica: CA e CC

L'AC inverte periodicamente la direzione (onda sinusoidale), consentendo punti naturali di passaggio per lo zero. La corrente continua scorre in un'unica direzione in modo continuo (forma d'onda piatta), rendendo l'estinzione dell'arco molto più impegnativa.

Implicazione:

Gli SPD CA beneficiano del passaggio per lo zero per l'interruzione dell'arco, mentre gli SPD CC richiedono meccanismi di soppressione dell'arco più robusti a causa delle caratteristiche della forma d'onda.

4.2 Forma d'onda di picco

• Le sovratensioni CA hanno spesso forme d'onda più uniformi e sinusoidali.
• Le sovratensioni CC sono più brevi, più veloci e più brusche con una tensione a sommità piatta

Necessità di tempo di risposta:

Gli SPD CC in genere richiedono tempi di risposta più rapidi (≤25 ns) per la protezione dai transitori rapidi.

4.3 Progettazione e principi di funzionamento degli SPD

• SPD CA: Progettato per polarità di tensione simmetrica e ingresso sinusoidale
• SPD CC: Costruito per circuiti sensibili alla polarità e flusso di corrente unidirezionale

Tecnologia utilizzata: Sia i dispositivi SPD CA che quelli CC utilizzano comunemente MOV (varistori a ossido di metallo), sezionatori termici e talvolta GDT (tubi a scarica di gas). Per comprendere come funzionano questi componenti all'interno di un dispositivo di protezione da sovratensione, consultare la nostra guida dettagliata su come funziona un SPD.

4.4 Valori di tensione e capacità di picco

• SPD CA: gamma da 115 V a 600 V
• SPD CC: gamma da 500 V a 1500 V

Esempio:

DC SPD FLY1-40PV gestisce fino a 40kA; L'AC SPD USP2 arriva fino a 120 kA, a seconda del modello.

4.5 Ambienti applicativi

• SPD CA: Uffici, case, HVAC, pannelli di controllo
• SPD CC: Energie rinnovabili, telecomunicazioni esterne, sistemi di trasporto

Tolleranza ambientale:

Gli SPD CC solitamente supportano intervalli di temperatura e umidità relativa più ampi a causa delle applicazioni esterne.

4.6 Estinzione dell'arco

• CA: L'arco si spegne naturalmente al passaggio per lo zero
• CC: Richiede l'estinzione meccanica/termica dell'arco a causa della mancanza di inversione di polarità.

Perché è importante:

Una soppressione inadeguata dell'arco negli scaricatori di sovratensione CC può causare instabilità termica e incendi.

4.7 Standard, test e certificazione

• Standard SPD CA: UL 1449, IEC 61643-11 (Tipo 1, 2, 3)
• Standard SPD CC: EN 50539-11, IEC 61643-31, UL 1449 (messa a fuoco PV, BESS, EV)

Esempio:

La classe di protezione dalle sovratensioni deve essere verificata tramite etichette SPD certificate TUV per la conformità alla rete.

5. Come scegliere il giusto SPD

La scelta del dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD) corretto non riguarda solo la tensione nominale, ma coinvolge anche la posizione di installazione, il coordinamento della protezione e la conformità agli standard internazionali. Ecco i fattori chiave da considerare:

1. Abbina l'SPD alla tensione del tuo sistema

• Sistemi AC (IEC 61643-11 / UL 1449)

  • 230/400 V (reti TN/TT): Scegli Uc 275 V modelli.

  • Esempio: Britec BR-40/30FU – SPD Tipo 2, Uc 275 V, In 20 kA, Imax 40 kA, con fusibile integrato per protezione di backup.

• Sistemi fotovoltaici CC (IEC 61643-31 / UL 1449 ≤1500 V CC)

  • Array da 600 V CC, 1.000 V CC o 1.500 V CC: selezionare la classificazione CC Uc corrispondente.

  • Esempio: Britec BRPV3-1000 (Uc 1000 Vcc) O BRPV3-1500 (Uc 1500 Vcc) – SPD CC tipo 1+2 per quadri elettrici e inverter fotovoltaici.

Mancia: Controllare sempre che la Uc dell'SPD (tensione operativa continua) sia ≥ 1,2 × tensione nominale del sistema per evitare un invecchiamento precoce.

2. Applicare la giusta classe di protezione (tipo) a ciascun livello di installazione

• Tipo 1 (corrente da fulmine 10/350 µs)

  • Installato all'ingresso del servizio/distribuzione principale.

  • Gestisce le correnti di fulmine dirette.

  • Esempio: BR-12.5M Tipo 1+2 SPD, Iimp 12,5 kA.

• Tipo 2 (sovratensioni di commutazione 8/20 µs)

  • Installato sui quadri di distribuzione a pavimento.

  • Protegge da sovratensioni di commutazione e correnti residue di fulmine.

  • Esempio: BR-40/30FU SPD tipo 2 (con sezionatore integrato).

• Tipo 3 (punto di utilizzo)

  • Installato vicino ad apparecchiature sensibili (computer, server, dispositivi medici).

  • Protegge dalle sovratensioni residue non limitate dagli SPD a monte.

Regola ingegneristica: Se la lunghezza del cavo tra due livelli di protezione è >10 m, installare SPD aggiuntivi su entrambe le estremità per garantire il coordinamento.

3. Garantire il coordinamento con interruttori e fusibili

• Gli SPD devono essere coordinati con i fusibili MCB/RCB/backup a monte.

• Alcuni modelli, come Britec BR-40/30FU, integrano sezionatori termici e protezione di backup, riducendo spazi e costi.

4. Conformità agli standard

• SPD CA: IEC 61643-11, UL 1449

• SPD CC fotovoltaici: IEC 61643-31, UL 1449 (≤1500 Vcc)

Assicurarsi sempre che l'SPD disponga delle certificazioni di test CE, UL o IEC adeguate, in particolare per i progetti internazionali.

Chiave da asporto

Scegliere l'SPD giusto significa abbinare la tensione, selezionare il Tipo corretto per il livello di installazione, garantire un coordinamento adeguato e rispettare gli standard IEC/UL.

Con Portafoglio di Britec (BR-12.5M, BR-40/30FU, BRPV3-1000, BRPV3-1500), puoi coprire applicazioni solari residenziali, commerciali, industriali e fotovoltaiche con una protezione contro le sovratensioni certificata e ad alte prestazioni.

6. Conclusione

I dispositivi di protezione da sovratensione CA e CC possono sembrare simili, ma servono sistemi fondamentalmente diversi. Gli SPD CA sono ottimizzati per applicazioni a onda sinusoidale negli edifici e nelle reti. Gli SPD CC sono progettati su misura per forme d'onda di tensione piatta nelle infrastrutture CC rinnovabili e ad alta tensione.

La scelta dell'SPD corretto è essenziale per salvaguardare le apparecchiature e mantenere la conformità agli standard di sicurezza.

Per garantire una protezione ottimale:

• Abbina sempre il tipo di SPD al sistema attuale (AC o DC)
• Considerare la tensione nominale, le caratteristiche della forma d'onda e la capacità di assorbimento dell'energia richiesta.
• Scegli prodotti certificati (TUV, UL, CE) con classi di protezione da sovratensione adeguate.

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