Dispositivi di protezione contro le sovratensioni CC per impianti fotovoltaici
Dispositivo di protezione contro le sovratensioni CC per pannello solare fotovoltaico
Poiché i dispositivi di protezione contro le sovratensioni CC per gli impianti fotovoltaici devono essere progettati per fornire la piena esposizione alla luce solare, sono altamente vulnerabili agli effetti dei fulmini. La capacità di un campo fotovoltaico è direttamente correlata alla sua superficie esposta, quindi il potenziale impatto degli eventi di fulmini aumenta con le dimensioni del sistema. Dove gli eventi di illuminazione sono frequenti, i sistemi fotovoltaici non protetti possono subire danni ripetuti e significativi ai componenti chiave. Ciò si traduce in notevoli costi di riparazione e sostituzione, tempi di inattività del sistema e perdita di entrate. I dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) progettati, specificati e installati correttamente riducono al minimo il potenziale impatto degli eventi di fulmini se utilizzati insieme a sistemi di protezione contro i fulmini progettati.
Un sistema di protezione contro i fulmini che incorpora elementi di base come terminali d'aria, conduttori di discesa adeguati, collegamento equipotenziale per tutti i componenti che trasportano corrente e principi di messa a terra adeguati fornisce una copertura di protezione contro i colpi diretti. In caso di dubbi sul rischio di fulmini nel tuo sito fotovoltaico, consiglio vivamente di assumere un ingegnere elettrico professionista con esperienza in questo campo per fornire uno studio di valutazione del rischio e un progetto di sistema di protezione, se necessario.
È importante comprendere la differenza tra i sistemi di protezione contro i fulmini e gli SPD. Lo scopo di un sistema di protezione contro i fulmini è quello di incanalare un fulmine diretto attraverso conduttori che trasportano corrente verso terra, evitando così che strutture e apparecchiature si trovino sul percorso di quella scarica o vengano colpite direttamente. Gli SPD vengono applicati ai sistemi elettrici per fornire un percorso di scarica verso terra per evitare che i componenti di tali sistemi siano esposti ai transitori ad alta tensione causati dagli effetti diretti o indiretti dei fulmini o dalle anomalie del sistema di alimentazione. Anche con un sistema di protezione contro i fulmini esterno installato, senza SPD, gli effetti dei fulmini possono comunque causare gravi danni ai componenti.
Ai fini di questo articolo, presumo che sia in atto una qualche forma di protezione contro i fulmini ed esamino i tipi, le funzioni ei vantaggi dell'uso aggiuntivo di SPD appropriati. Insieme a un sistema di protezione dai fulmini adeguatamente progettato, l'uso di SPD nelle posizioni chiave del sistema protegge i componenti principali come inverter, moduli, apparecchiature in scatole di combinazione e sistemi di misurazione, controllo e comunicazione.
L'importanza degli SPD
A parte le conseguenze dei fulmini diretti sugli array, il cablaggio di alimentazione di interconnessione è molto suscettibile ai transitori indotti elettromagneticamente. I transitori causati direttamente o indirettamente dai fulmini, nonché i transitori generati dalle funzioni di commutazione di rete, espongono le apparecchiature elettriche ed elettroniche a sovratensioni molto elevate di brevissima durata (da decine a centinaia di microsecondi). L'esposizione a queste tensioni transitorie può causare un guasto catastrofico dei componenti che può essere evidente da danni meccanici e tracciamento del carbonio o essere impercettibile ma comunque causare un guasto dell'apparecchiatura o del sistema.
L'esposizione a lungo termine a transitori di intensità inferiore deteriora il materiale dielettrico e isolante nelle apparecchiature del sistema fotovoltaico fino a quando non si verifica un guasto finale. Inoltre, possono verificarsi transitori di tensione sui circuiti di misurazione, controllo e comunicazione. Questi transitori possono sembrare segnali o informazioni errati, che causano il malfunzionamento o lo spegnimento dell'apparecchiatura. Il posizionamento strategico degli SPD mitiga questi problemi perché funzionano come dispositivi di cortocircuito o bloccaggio.
Caratteristiche tecniche degli SPD
La tecnologia SPD più comune utilizzata nelle applicazioni fotovoltaiche è il varistore a ossido di metallo (MOV), che funziona come un dispositivo di bloccaggio della tensione. Altre tecnologie SPD includono il diodo a valanga al silicio, spinterometri controllati e tubi a scarica di gas. Gli ultimi due sono dispositivi di commutazione che appaiono come cortocircuiti o palanchini. Ogni tecnologia ha le sue caratteristiche, che la rendono più o meno adatta ad una specifica applicazione. Le combinazioni di questi dispositivi possono anche essere coordinate per fornire caratteristiche più ottimali di quelle che offrono individualmente. La tabella 1 elenca i principali tipi di SPD utilizzati negli impianti fotovoltaici e ne dettaglia le caratteristiche generali di funzionamento.
Un SPD deve essere in grado di cambiare stato abbastanza rapidamente per il breve periodo di tempo in cui è presente un transitorio e per scaricare l'entità della corrente transitoria senza interruzioni. Il dispositivo deve anche ridurre al minimo la caduta di tensione sul circuito SPD per proteggere l'apparecchiatura a cui è collegato. Infine, la funzione SPD non dovrebbe interferire con la normale funzione di quel circuito.
Le caratteristiche di funzionamento degli SPD sono definite da diversi parametri che chi effettua la selezione per gli SPD deve comprendere. Questo argomento richiede maggiori dettagli che possono essere trattati qui, ma i seguenti sono alcuni parametri che dovrebbero essere considerati: tensione operativa continua massima, applicazione in ca o cc, corrente di scarica nominale (definita da una grandezza e forma d'onda), livello di protezione della tensione (il tensione terminale che è presente quando l'SPD sta scaricando una specifica corrente) e sovratensione temporanea (una sovratensione continua che può essere applicata per un tempo determinato senza danneggiare l'SPD).
Gli SPD che utilizzano diverse tecnologie di componenti possono essere inseriti negli stessi circuiti. Tuttavia, devono essere selezionati con cura per garantire il coordinamento energetico tra di loro. La tecnologia dei componenti con il valore di scarica più elevato deve scaricare la massima entità della corrente transitoria disponibile, mentre la tecnologia degli altri componenti riduce la tensione transitoria residua a un valore inferiore in quanto scarica una corrente minore.
L'SPD deve avere un dispositivo di autoprotezione integrale che lo scolleghi dal circuito in caso di guasto del dispositivo. Per rendere evidente questa disconnessione, molti SPD visualizzano un flag che ne indica lo stato di disconnessione. L'indicazione dello stato dell'SPD tramite un set di contatti ausiliari integrato è una funzione avanzata che può fornire un segnale a una posizione remota. Un'altra importante caratteristica del prodotto da considerare è se l'SPD utilizza un modulo rimovibile con protezione dalle dita che consente di sostituire facilmente un modulo guasto senza attrezzi o la necessità di diseccitare il circuito.
Considerazioni sui dispositivi di protezione contro le sovratensioni CA per installazioni fotovoltaiche
I fulmini dalle nuvole al sistema di protezione dai fulmini, alla struttura fotovoltaica o al terreno vicino provocano un aumento del potenziale di terra locale rispetto ai riferimenti di terra lontani. I conduttori che coprono queste distanze espongono l'apparecchiatura a tensioni significative. Gli effetti dell'aumento del potenziale di terra si verificano principalmente nel punto di connessione tra un sistema fotovoltaico collegato alla rete e l'utilità all'ingresso di servizio, il punto in cui la terra locale è collegata elettricamente a una terra di riferimento distante.
La protezione contro le sovratensioni deve essere posizionata all'ingresso di servizio per proteggere il lato di servizio dell'inverter da transitori dannosi. I transitori osservati in questa posizione sono di ampiezza e durata elevate e pertanto devono essere gestiti da una protezione contro le sovratensioni con valori di corrente di scarica adeguatamente elevati. Gli spinterometri controllati utilizzati in coordinamento con i MOV sono ideali per questo scopo. La tecnologia dello spinterometro può scaricare correnti di fulmine elevate fornendo una funzione di collegamento equipotenziale durante il transitorio di fulmine. Il MOV coordinato ha la capacità di bloccare la tensione residua a un livello accettabile.
Oltre agli effetti dell'innalzamento del potenziale di terra, il lato CA dell'inverter può essere influenzato da transitori di commutazione indotti da fulmini e di rete che compaiono anche all'ingresso di servizio. Per ridurre al minimo i potenziali danni alle apparecchiature, è necessario applicare una protezione contro le sovratensioni CA di valore nominale il più vicino possibile ai terminali CA dell'inverter, con il percorso più breve e più diritto per i conduttori con una sezione trasversale sufficiente. La mancata implementazione di questo criterio di progettazione comporta una caduta di tensione maggiore del necessario nel circuito SPD durante la scarica ed espone l'apparecchiatura protetta a tensioni transitorie più elevate del necessario.
Considerazioni sui dispositivi di protezione contro le sovratensioni CC per installazioni fotovoltaiche
I colpi diretti alle strutture messe a terra vicine (incluso il sistema di protezione contro i fulmini) e i lampi inter e intra-cloud che possono essere di magnitudo di 100 kA possono causare campi magnetici associati che inducono correnti transitorie nel cablaggio cc del sistema fotovoltaico. Queste tensioni transitorie compaiono ai terminali delle apparecchiature e causano guasti di isolamento e dielettrici dei componenti chiave.
Il posizionamento di SPD in posizioni specificate mitiga l'effetto di queste correnti di fulmine indotte e parziali. L'SPD è posto in parallelo tra i conduttori eccitati e la terra. Cambia stato da un dispositivo ad alta impedenza a un dispositivo a bassa impedenza quando si verifica la sovratensione. In questa configurazione, l'SPD scarica la corrente transitoria associata, riducendo al minimo la sovratensione che altrimenti sarebbe presente ai terminali dell'apparecchiatura. Questo dispositivo parallelo non trasporta corrente di carico. L'SPD selezionato deve essere specificamente progettato, valutato e approvato per l'applicazione su tensioni FV cc. La disconnessione SPD integrale deve essere in grado di interrompere l'arco CC più grave, che non si trova nelle applicazioni CA.
Il collegamento dei moduli MOV in una configurazione a Y è una configurazione SPD comunemente utilizzata su grandi sistemi FV commerciali e su larga scala che funzionano a una tensione massima a circuito aperto di 600 o 1,000 Vdc. Ogni gamba della Y contiene un modulo MOV collegato a ciascun polo ea terra. In un sistema senza messa a terra, ci sono due moduli tra ciascun polo e tra entrambi i poli e la terra. In questa configurazione, ogni modulo è classificato per metà della tensione di sistema, quindi anche se si verifica un guasto da polo a terra, i moduli MOV non superano il loro valore nominale.
Considerazioni sulla protezione contro le sovratensioni del sistema non di alimentazione
Proprio come le apparecchiature e i componenti del sistema di alimentazione sono suscettibili agli effetti dei fulmini, lo sono anche le apparecchiature presenti nei sistemi di misurazione, controllo, strumentazione, SCADA e comunicazione associati a queste installazioni. In questi casi, il concetto di base della protezione contro le sovratensioni è lo stesso dei circuiti di alimentazione. Tuttavia, poiché questa apparecchiatura è solitamente meno tollerante agli impulsi di sovratensione e più suscettibile a segnali errati e ad essere influenzata negativamente dall'aggiunta di componenti in serie o in parallelo ai circuiti, è necessario prestare maggiore attenzione alle caratteristiche di ogni SPD aggiunto. Sono necessari SPD specifici a seconda che questi componenti comunichino tramite doppino intrecciato, CAT 6 Ethernet o RF coassiale. Inoltre, gli SPD selezionati per i circuiti non di alimentazione devono essere in grado di scaricare le correnti transitorie senza guasti, per fornire un livello di protezione della tensione adeguato ed evitare di interferire con il funzionamento del sistema, inclusa l'impedenza in serie, la capacità da linea a linea e di terra e la larghezza di banda della frequenza .
Errori di applicazione comuni degli SPD
Gli SPD sono stati applicati ai circuiti di alimentazione per molti anni. La maggior parte dei circuiti di alimentazione contemporanei sono sistemi a corrente alternata. Pertanto, la maggior parte delle apparecchiature di protezione contro le sovratensioni è stata progettata per l'uso in sistemi CA. L'introduzione relativamente recente di grandi sistemi FV commerciali e di utilità e il numero crescente di sistemi implementati ha, purtroppo, portato all'errata applicazione sul lato cc degli SPD progettati per i sistemi ca. In questi casi, gli SPD funzionano in modo improprio, soprattutto durante la loro modalità di guasto, a causa delle caratteristiche dei sistemi fotovoltaici cc.
I MOV forniscono caratteristiche eccellenti per servire come SPD. Se sono valutati correttamente e applicati correttamente, svolgono in modo di qualità per quella funzione. Tuttavia, come tutti i prodotti elettrici, potrebbero non funzionare. Il guasto può essere causato dal riscaldamento dell'ambiente, da correnti di scarica superiori a quelle che il dispositivo è progettato per gestire, da una scarica eccessiva o dall'esposizione a condizioni di sovratensione continua.
Pertanto, gli SPD sono progettati con un sezionatore ad azionamento termico che li separa dal collegamento in parallelo al circuito cc eccitato qualora ciò si rendesse necessario. Poiché una parte della corrente fluisce quando l'SPD entra in modalità di guasto, viene visualizzato un leggero arco mentre il sezionatore termico funziona. Quando applicato su un circuito CA, il primo passaggio per lo zero della corrente fornita dal generatore spegne quell'arco e l'SPD viene rimosso in modo sicuro dal circuito. Se lo stesso SPD CA viene applicato al lato CC di un sistema FV, in particolare ad alte tensioni, non vi è alcun passaggio per lo zero della corrente in una forma d'onda CC. Il normale interruttore ad azionamento termico non può estinguere la corrente dell'arco e il dispositivo si guasta.
Il posizionamento di un circuito di bypass con fusibile in parallelo attorno al MOV è un metodo per superare l'estinzione dell'arco di guasto cc. In caso di intervento del disgiuntore termico, appare ancora un arco sui suoi contatti di apertura; ma la corrente dell'arco viene reindirizzata a un percorso parallelo contenente un fusibile in cui l'arco si spegne e il fusibile interrompe la corrente di guasto.
La fusione a monte prima dell'SPD, come può essere applicata ai sistemi CA, non è appropriata sui sistemi CC. La corrente di cortocircuito disponibile per azionare il fusibile (come in un dispositivo di protezione da sovracorrente) potrebbe non essere sufficiente quando il generatore è a potenza ridotta. Di conseguenza, alcuni produttori di SPD ne hanno tenuto conto nella progettazione. UL ha modificato il suo standard precedente aggiungendo il suo supplemento all'ultimo standard di protezione contro le sovratensioni, UL 1449. Questa terza edizione è specificamente applicabile ai sistemi fotovoltaici.
Lista di controllo SPD
Nonostante l'elevato rischio di fulmini a cui sono esposti molti impianti fotovoltaici, possono essere protetti mediante l'applicazione di SPD e un sistema di protezione contro i fulmini opportunamente progettato. L'implementazione efficace di SPD dovrebbe includere le seguenti considerazioni:
- Posizionamento corretto nel sistema
- Requisiti di risoluzione
- Messa a terra e collegamento a massa corretti del sistema di messa a terra dell'apparecchiatura
- Valutazione di scarica
- Livello di protezione della tensione
- Idoneità per il sistema in questione, comprese le applicazioni CC rispetto a CA.
- Modalità di fallimento
- Indicazione di stato locale e remota
- Moduli facilmente sostituibili
- Il normale funzionamento del sistema non dovrebbe essere influenzato, in particolare sui sistemi non alimentati
