Protezione contro le sovratensioni per sistemi fotovoltaici

I fulmini indiretti sono distruttivi. Le osservazioni aneddotiche sull’attività dei fulmini sono solitamente un indicatore inadeguato del livello di sovratensione indotta dai fulmini negli impianti fotovoltaici. I fulmini indiretti possono facilmente danneggiare i componenti sensibili all’interno delle apparecchiature fotovoltaiche, che spesso comportano costi elevati per riparare o sostituire i componenti danneggiati, e influiscono sull’affidabilità del sistema fotovoltaico. La sovratensione dipende dalle condizioni di installazione di ciascun sistema fotovoltaico e dai cablaggi.

I sistemi fotovoltaici sono esposti in ampi spazi aperti, tipicamente nei campi o sulle sommità degli edifici. Le nuvole cariche di pioggia che si accumulano su tali campi aperti hanno la propensione a rilasciare la carica sotto forma di fulmini. Quando ciò accade, è probabile che si verifichi un aumento di tensione. Più il campo è esteso, più è probabile che si verifichi la distruzione.

Quando un impianto fotovoltaico è installato in un sito industriale, sono a rischio anche le attività commerciali e le attrezzature. Gli inverter sono costosi, ma per le applicazioni industriali un guasto ancora più costoso è il costo dei tempi di inattività.

Quando un fulmine colpisce un sistema solare fotovoltaico, provoca una corrente transitoria e una tensione indotte all'interno dei circuiti elettrici del sistema solare fotovoltaico. Queste correnti e tensioni transitorie appariranno sui terminali delle apparecchiature e probabilmente causeranno guasti di isolamento e dielettrici all'interno dei componenti elettrici ed elettronici del solare fotovoltaico come i pannelli fotovoltaici, l'inverter, le apparecchiature di controllo e comunicazione, nonché i dispositivi nell'installazione dell'edificio. L'array box, l'inverter e l'MPPT (potenza massimapoint tracker) il dispositivo presenta i punti di guasto più elevati.

Per evitare che l'elevata energia passi attraverso i componenti elettronici e causi danni da alta tensione al sistema fotovoltaico, i picchi di tensione devono avere un percorso verso terra. Per fare ciò, tutte le superfici conduttive devono essere messe a terra direttamente e tutti i cavi che entrano ed escono dal sistema (come cavi Ethernet e rete CA) devono essere accoppiati a terra tramite un SPD.

È necessario un dispositivo di protezione da sovratensione per ciascun gruppo di stringhe all'interno del box array, del box ricombinatore e del sezionatore CC.

Scelta e installazione dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni per impianti fotovoltaici

Gli impianti fotovoltaici hanno caratteristiche uniche, che richiedono quindi l'utilizzo di SPD specificatamente progettati per gli impianti fotovoltaici.

I sistemi fotovoltaici hanno tensioni di sistema CC elevate fino a 1500 volt. Il loro punto di potenza massima funziona solo a pochi percentili al di sotto della corrente di cortocircuito del sistema.

Per determinare il modulo SPD corretto per il sistema fotovoltaico e la sua installazione, è necessario conoscere:

l La densità del flash rotondo del fulmine;

l La temperatura operativa del sistema;

l La tensione del sistema;

l La corrente nominale di cortocircuito del sistema;

l Il livello della forma d'onda da proteggere contro (fulmini indiretti o diretti);

l La corrente di scarica nominale.

I requisiti SPD per un'installazione protetta da un sistema di protezione contro i fulmini esterno (LPS) dipendono dalla classe selezionata dell'LPS e dal fatto che la distanza di separazione tra l'LPS e l'impianto fotovoltaico sia isolata o non isolata. La norma IEC 62305-3 descrive in dettaglio i requisiti della distanza di separazione per un LPS esterno.

Per avere un effetto protettivo, il livello di protezione della tensione di un SPD (Up) dovrebbe essere inferiore di 20 % rispetto alla rigidità dielettrica dell'apparecchiatura terminale del sistema.

È importante utilizzare un SPD con una corrente di cortocircuito superiore alla corrente di cortocircuito della stringa del campo solare a cui è collegato l'SPD. L'SPD fornito sull'uscita CC deve avere un MCOV CC pari o superiore alla tensione massima del sistema fotovoltaico del pannello.

SPD per il lato DC degli impianti fotovoltaici

Le sorgenti fotovoltaiche hanno caratteristiche di corrente e tensione molto diverse rispetto alle tradizionali sorgenti in corrente continua: hanno una caratteristica non lineare e provocano la persistenza a lungo termine degli archi innescati. Pertanto, le fonti di corrente FV non richiedono solo interruttori FV e fusibili FV più grandi, ma anche un sezionatore per il dispositivo di protezione da sovratensione che sia adatto a questa natura unica e in grado di far fronte alle correnti FV.

Gli SPD installati sul lato DC devono essere sempre specificatamente progettati per applicazioni DC. L'uso di un SPD sul lato CA o CC errato è pericoloso in condizioni di guasto.

Installazione

Gli SPD dovrebbero essere sempre installati a monte dei dispositivi che andranno a proteggere. NFPA 780 12.4.2.1 afferma che la protezione da sovratensione deve essere fornita sull'uscita CC del pannello solare da positivo a terra e negativo a terra, sulla scatola di combinazione e ricombinazione per più pannelli solari e sull'uscita CA dell'inverter.

La corretta installazione di un SPD si basa su tre valori che sono:

l Tensione operativa continua massima: la tensione che attiverà l'SPD.

l Livello di protezione della tensione: la categoria di sovratensione dell'apparecchiatura deve essere superiore al livello di protezione della tensione dell'SPD.

l Corrente di scarica nominale: il valore di picco della forma d'onda (8/20 μs per gli SPD di tipo 2) che l'SPD è in grado di sopportare dopo sovratensioni ripetitive.

Come abbinare gli SPD agli inverter

I parchi fotovoltaici sono costituiti da apparecchiature molto sensibili che necessitano di una protezione espansiva. Poiché i parchi fotovoltaici creano energia in corrente continua (CC), gli inverter (necessari per convertire questa energia da CC a CA) sono un componente essenziale per la loro produzione elettrica. Sfortunatamente, gli inverter non solo sono altamente sensibili ai fulmini, ma sono anche incredibilmente costosi.

NFPA 780 12.4.2.3 richiede SPD aggiuntivi all'ingresso CC dell'inverter se l'inverter del sistema si trova a più di 30 metri dal combinatore o dalla scatola ricombinatore più vicina.

Installare l'SPD tra i fusibili e l'inverter se sono presenti dispositivi di protezione delle stringhe (come fusibili, interruttori DC o diodi di stringa)

Per collegare un SPD in presenza di inverter con scatola fusibili integrata, assicurarsi che i fusibili interni siano bypassati e che i fusibili di stringa esterni siano collegati.

Gli inverter di stringa dovrebbero essere installati il ​​più vicino possibile alle stringhe. I cavi dell'SPD che si collegano alla rete L+/L- e tra la morsettiera dell'SPD e la sbarra di terra devono essere inferiori a 2,5 metri. Più corti sono i cavi di collegamento, più efficiente ed economica sarà la protezione.

Per inverter con un solo inseguitore MPP unire le stringhe prima dell'inverter e collegarle all'SPD nel punto di interconnessione.

Le combinazioni SPD dovrebbero essere pianificate per ciascun ingresso quando l'inverter dispone di più inseguitori MPP. È necessario utilizzare un SPD per ciascun ingresso protetto da un diodo di stringa.

Riferimenti

[1] Guida alla protezione contro i fulmini, norma DIN EN 62305 – 3, 2014.

[2] Standard per dispositivi di protezione contro le sovratensioni, UL 1449, 2014.

[3] Dispositivi di protezione da sovratensione a bassa tensione – Parte 32: Dispositivi di protezione da sovratensione collegati alla rete c.c. lato degli impianti fotovoltaici – Principi di scelta e applicazione, Norma CEI 61643-32, 2 017.