In che modo le soluzioni DC SPD possono migliorare la protezione dei sistemi solari esterni?

Gli impianti solari esterni sono soggetti a una minaccia unica e persistente che molti progettisti di sistema sottovalutano finché non è troppo tardi: sovratensioni transitorie. Che siano causate da fulmini nelle vicinanze, da manovre sulla rete elettrica o da disturbi indotti da carichi induttivi, queste sovratensioni possono propagarsi attraverso i cavi in corrente continua e danneggiare invertitori, regolatori di carica e apparecchiature di monitoraggio in pochi millisecondi. Una scelta e un’installazione adeguate dC SPD — dispositivo di Protezione da Impulsi — rappresenta la risposta più diretta ed economica a questa vulnerabilità, fungendo da prima linea di difesa tra il vostro impianto fotovoltaico e l’elettronica sensibile a valle.

Comprendere come un SPD in corrente continua migliori la protezione dei sistemi solari all'aperto richiede di andare oltre il dispositivo stesso ed esaminare l'intero ambiente elettrico di un'impianto fotovoltaico. Gli impianti solari sono generalmente installati in luoghi aperti, elevati ed esposti — condizioni che massimizzano proprio l'esposizione alle sovratensioni. Il lato in corrente continua del sistema, che va dai pannelli all'inverter, trasporta una corrente continua ad alta tensione priva di un punto naturale di attraversamento dello zero, rendendo la soppressione delle sovratensioni fondamentalmente diversa dalla protezione in corrente alternata. È per questo motivo che la tecnologia degli SPD in corrente continua, progettata appositamente per applicazioni solari, riveste un'importanza cruciale e perché la scelta del dispositivo adeguato, in base alla tensione e alla classe di energia richieste, è una decisione che influisce direttamente sulla durata e sull'affidabilità del sistema.

Il panorama delle minacce da sovratensione per i sistemi solari all'aperto

Perché gli impianti solari sono particolarmente vulnerabili

I pannelli solari sono installati all'esterno, spesso sui tetti o su strutture di fissaggio a terra aperte, con lunghi tratti di cavo che collegano le stringhe di pannelli ai quadri di combinazione e agli inverter. Questi tratti di cavo agiscono come antenne, captando l'energia indotta da fulmini vicini anche in assenza di un colpo diretto. Un fulmine che si verifichi a diverse centinaia di metri di distanza da un impianto può indurre tensioni transitorie di diversi migliaia di volt sui conduttori CC non protetti, superando di gran lunga la tensione di tenuta della maggior parte degli stadi di ingresso degli inverter.

Oltre ai fulmini, gli impianti fotovoltaici sono esposti anche a sovratensioni da commutazione generate quando carichi elevati vengono collegati o scollegati dalla rete, nonché a sovratensioni che si propagano dalla rete CA attraverso l'inverter fino al circuito CC. Ciascuno di questi eventi rappresenta una potenziale causa di guasto che un SPD CC ben specificato è progettato per intercettare e dissipare prima che l'energia raggiunga componenti critici.

Le implicazioni finanziarie sono rilevanti. Un singolo guasto all'inverter causato da un evento di sovratensione non protetto può comportare costi dell'ordine di migliaia di dollari per la sostituzione dell'apparecchiatura, la perdita di produzione energetica e la manodopera necessaria per la diagnosi e la riparazione. Quando l'impianto è ubicato in una località remota o di difficile accesso, tali costi aumentano rapidamente. Investire fin dalla fase progettuale in un SPD CC di qualità rappresenta un modo semplice per ridurre in misura significativa questo profilo di rischio.

Come le sovratensioni in corrente continua differiscono da quelle in corrente alternata

Una delle distinzioni più importanti nell'ingegneria della protezione contro le sovratensioni è la differenza nel comportamento dei circuiti CA e CC durante un evento transitorio. In un circuito CA, la tensione attraversa naturalmente lo zero 50 o 60 volte al secondo, il che contribuisce a spegnere qualsiasi arco che si formi quando un dispositivo di protezione contro le sovratensioni limita un transitorio. In un circuito CC, non esiste alcun attraversamento dello zero, il che significa che, una volta formato un arco, quest’ultimo tende a mantenersi autonomamente e può causare il guasto catastrofico del dispositivo di protezione se quest’ultimo non è specificatamente progettato per il funzionamento in corrente continua.

Questo è il motivo per cui l'uso di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni progettato per corrente alternata (CA) sul lato in corrente continua (CC) di un impianto fotovoltaico non è solo inefficace, ma potenzialmente pericoloso. Un SPD in CC è progettato con una geometria di spegnimento dell'arco, materiali di varistor adeguati e meccanismi di scollegamento termico che tengono conto della tensione continua presente nel circuito. Inoltre, la tensione nominale del dispositivo deve essere pari o superiore alla tensione a vuoto massima della stringa fotovoltaica nelle condizioni più sfavorevoli di temperatura, che, in un sistema da 1000 V, può avvicinarsi al valore massimo nominale completo.

La scelta di uno SPD in CC con la corretta tensione massima di esercizio continuo (MCOV) non è quindi un semplice dettaglio tecnico secondario, bensì un requisito fondamentale per la sicurezza e le prestazioni. Dispositivi sottodimensionati si degradano rapidamente nelle normali condizioni di funzionamento e potrebbero guastarsi ancor prima di dover affrontare un vero evento di sovratensione.

Come funziona uno SPD in CC all'interno di una strategia di protezione fotovoltaica

Meccanismo di limitazione e dissipazione

Un SPD in corrente continua funziona presentando un’impedenza molto elevata rispetto alla tensione di esercizio normale, mentre passa istantaneamente a uno stato di impedenza molto bassa nel momento in cui una sovratensione transitoria supera la sua soglia di protezione. Questa azione di limitazione devia la corrente di sovratensione lontano dall’apparecchiatura protetta, indirizzandola in sicurezza verso il sistema di messa a terra, dove l’energia viene dissipata in modo innocuo nel terreno. L’intero processo avviene in nanosecondi, molto più velocemente di qualsiasi interruttore di circuito o fusibile potrebbe reagire.

I varistori a ossido metallico, comunemente denominati MOV, sono l’elemento di limitazione più diffuso nei dispositivi SPD in corrente continua per applicazioni fotovoltaiche. I MOV offrono un buon compromesso tra capacità di assorbimento energetico, velocità di risposta ed economicità. Tuttavia, i MOV subiscono un degrado ad ogni evento di sovratensione che assorbono; per questo motivo i prodotti SPD in corrente continua di qualità includono un indicatore visivo dello stato — tipicamente una finestrella che cambia colore — per segnalare quando il dispositivo ha raggiunto la fine della propria vita utile e necessita di essere sostituito.

Alcuni design avanzati di SPD in corrente continua combinano la tecnologia dei varistori (MOV) con tubi a scarica gassosa o diodi di soppressione transitoria della tensione per creare un'architettura di protezione multistadio. Questo approccio stratificato fornisce sia un assorbimento grossolano dell’energia per eventi di grande entità, sia un limitatore fine per transitori più piccoli e frequenti, offrendo una protezione più completa su un ampio spettro di scenari di sovratensione.

Strategia di posizionamento per massima efficacia

Il posizionamento fisico di uno SPD in corrente continua all’interno dell’architettura del sistema fotovoltaico ha un impatto diretto sull’efficacia con cui esso protegge le apparecchiature a valle. Il principio generale prevede di installare il dispositivo il più vicino possibile all’apparecchiatura da proteggere, con lunghezze di collegamento (lead lengths) tra i terminali del dispositivo e i conduttori del circuito il più brevi possibile. Lunghezze eccessive dei collegamenti introducono induttanza, riducendo l’efficacia dell’azione di limitazione durante transitori con tempi di salita rapidi.

In un tipico impianto solare residenziale o commerciale, i dispositivi SPD in corrente continua (DC) vengono installati all’ingresso in corrente continua dell’inverter e, negli impianti di maggiori dimensioni, anche all’uscita del quadro di combinazione stringhe. Questo approccio a due punti fornisce una protezione per zone: lo SPD in corrente continua nel quadro di combinazione gestisce le sovratensioni provenienti dal lato campo fotovoltaico, mentre il dispositivo sul lato inverter intercetta qualsiasi sovratensione che si propaghi lungo i cavi tra i due punti.

Negli impianti su struttura a terra con lunghi tratti di cavo tra il campo fotovoltaico e l’edificio contenente l’inverter, uno SPD in corrente continua posto all’estremità del cavo corrispondente al campo fotovoltaico è particolarmente importante. Più lungo è il cavo, maggiore è il potenziale di energia indotta da sovratensione e più critica diventa l’intercettazione di tale energia prima che essa percorra l’intera lunghezza del conduttore fino all’inverter.

Selezione dello SPD in corrente continua (DC) appropriato per la vostra applicazione solare

Considerazioni sui valori nominali di tensione e corrente

Far corrispondere la tensione nominale di funzionamento in continua (dc) dell' SPD alla tensione effettiva del sistema è il punto di partenza di qualsiasi processo di selezione. I sistemi fotovoltaici sono comunemente progettati per tensioni di stringa in continua (dc) pari a 600 V, 800 V o 1000 V; pertanto, l’SPD in continua deve essere dimensionato per la tensione a vuoto massima dell’impianto, e non soltanto per la tensione nominale di esercizio. Nei climi freddi, la tensione a vuoto dei pannelli aumenta al diminuire della temperatura, quindi la tensione nel caso peggiore può risultare significativamente superiore al valore indicato sulla targhetta, riferito alle condizioni standard di prova.

La corrente d'impulso nominale, espressa in chiloampere e generalmente indicata come Imax o In, indica la quantità di corrente di sovratensione che il dispositivo è in grado di sopportare. Per gli impianti solari residenziali, un dispositivo di protezione contro le sovratensioni in corrente continua (DC SPD) con una capacità di 20 kA è generalmente considerato adeguato. Per installazioni commerciali o su scala industriale in zone ad alta densità di fulmini, dispositivi con una capacità di 40 kA o superiore offrono un margine di sicurezza più appropriato. La scelta di un dispositivo con una capacità di corrente superiore al minimo richiesto estende la durata operativa e riduce la frequenza di sostituzione.

Il livello di protezione, o valore Up, è un altro parametro fondamentale. Si tratta della tensione massima che appare ai morsetti dell’apparecchiatura protetta durante un evento di sovratensione. Un valore Up più basso garantisce una protezione migliore per l’elettronica sensibile. Confrontando diverse opzioni di dispositivi di protezione contro le sovratensioni in corrente continua (DC SPD), un dispositivo con un valore Up inferiore alla stessa classe di corrente nominale offre prestazioni di limitazione superiori ed è generalmente preferibile per proteggere gli inverter moderni, i cui tolleranze di tensione in ingresso sono particolarmente ristrette.

Requisiti per l'ambiente di installazione e per l'involucro

Le installazioni solari all'aperto espongono i dispositivi di protezione contro le sovratensioni a escursioni termiche estreme, umidità, radiazioni UV e, in alcuni ambienti, aria salina o inquinanti industriali. Un SPD in corrente continua destinato all'uso all'aperto o all'installazione in un involucro certificato per uso esterno deve possedere un grado di protezione contro l'ingresso di corpi solidi e liquidi (IP) adeguato. IP65 o superiore è il livello standard richiesto per i dispositivi che potrebbero essere esposti a getti d'acqua o polvere, mentre IP20 è accettabile per i dispositivi installati all'interno di una scatola di combinazione sigillata o di un armadio per inverter.

Anche l'intervallo di temperatura è altrettanto importante. Negli impianti solari installati in ambienti desertici, le temperature all'interno dell'involucro possono superare ampiamente i 60 gradi Celsius durante il funzionamento estivo, mentre negli impianti situati in climi settentrionali le temperature possono scendere al di sotto dei meno 25 gradi Celsius durante l'inverno. Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni in corrente continua (DC SPD) specificato per un ampio intervallo di temperatura operativa manterrà le proprie caratteristiche protettive anche in queste condizioni estreme, senza un degrado prematuro degli elementi varistori.

La compatibilità con il montaggio su guida DIN rappresenta un aspetto pratico da considerare quando il DC SPD verrà installato all'interno di un quadro elettrico o di una scatola di combinazione. La maggior parte dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni in corrente continua (DC SPD) di alta qualità per applicazioni fotovoltaiche è progettata per il montaggio su guida DIN standard da 35 mm, il che semplifica l’installazione e consente la rapida sostituzione del dispositivo non appena l’indicatore di stato segnala la fine della vita utile.

Manutenzione, monitoraggio e affidabilità a lungo termine

Comprensione della durata operativa di un DC SPD

Un SPD in corrente continua non è un componente da installare e dimenticare. Ogni evento di sovratensione che assorbe consuma una parte della sua capacità di gestione dell'energia e, con il tempo, gli elementi MOV all'interno del dispositivo si degradano fino al punto in cui non sono più in grado di fornire una protezione adeguata. Il tasso di degradazione dipende dalla frequenza e dall'entità degli eventi di sovratensione nel sito di installazione, che varia notevolmente in base alla zona geografica, alla qualità della rete locale e alla vicinanza a zone particolarmente esposte ai fulmini.

La maggior parte degli SPD in corrente continua di qualità include un interruttore termico integrato che rimuove automaticamente dal circuito l'elemento MOV degradato quando viene raggiunta una soglia critica di guasto, evitando che un dispositivo difettoso diventi un rischio di incendio. La finestra di stato sulla faccia del dispositivo passa dal colore verde al rosso — oppure da una finestra trasparente a un indicatore opaco — per segnalare la necessità di sostituzione. L'ispezione visiva periodica di questo indicatore, idealmente effettuata durante le normali visite di manutenzione del sistema, rappresenta il metodo più semplice per garantire una protezione continua.

Nei sistemi commerciali o di grandi dimensioni per uso industriale, il monitoraggio remoto dello stato degli SPD in corrente continua (dc) è sempre più comune. Alcuni dispositivi includono contatti ausiliari che possono essere collegati a un sistema di monitoraggio, generando un allarme quando il dispositivo raggiunge la fine della propria vita utile. Questa funzionalità risulta particolarmente preziosa per installazioni in cui ispezioni visive sono infrequenti o logisticamente complesse.

Integrazione dell’ispezione degli SPD in corrente continua (dc) nei programmi di manutenzione fotovoltaica

Un programma strutturato di manutenzione per impianti fotovoltaici dovrebbe prevedere l’ispezione degli SPD in corrente continua (dc) come voce standard della checklist. Durante ogni intervento di manutenzione, il tecnico deve verificare che l’indicatore di stato di ogni SPD in corrente continua (dc) presente nell’impianto mostri una condizione di funzionamento corretto, controllare che tutti i collegamenti ai morsetti siano serrati e privi di corrosione, e accertarsi che l’involucro del dispositivo o la sua posizione di montaggio non siano stati compromessi da danni fisici o infiltrazioni d’acqua.

Dopo qualsiasi evento significativo di fulmini nella zona, è buona prassi effettuare un’ispezione non programmata dei dispositivi SPD in corrente continua (dc). Un fulmine caduto nelle vicinanze potrebbe aver attivato il distacco termico senza causare danni visibili ad altri componenti del sistema, lasciando così il sistema privo di protezione fino alla sostituzione del dispositivo. Individuare tempestivamente questa condizione consente di ripristinare il livello di protezione prima che si verifichi il successivo evento di sovratensione.

Tenere una piccola scorta di unità di SPD in corrente continua (dc) di ricambio presso il sito o sul veicolo per la manutenzione elimina i ritardi nel caso in cui venga individuato un dispositivo guasto. Considerato il costo relativamente contenuto di uno SPD in corrente continua rispetto all’equipaggiamento da esso protetto, mantenere un’unità di riserva rappresenta una pratica semplice e diretta di gestione del rischio, adottata come procedura standard dalla maggior parte delle squadre esperte di operazione e manutenzione (O&M) nel settore fotovoltaico.

Domande frequenti

Quale valore di tensione nominale devo scegliere per uno SPD in corrente continua (dc) in un sistema fotovoltaico da 1000 V?

Per un sistema solare in corrente continua (CC) con tensione nominale di 1000 V, è necessario selezionare un dispositivo di protezione contro le sovratensioni in CC (DC SPD) con una tensione massima di funzionamento continuo di almeno 1000 V CC e, idealmente, con una tensione nominale che tenga conto della tensione a vuoto massima della stringa nelle condizioni di bassa temperatura. Molti installatori scelgono un DC SPD con tensione nominale di 1000 V o 1200 V per garantire un adeguato margine di sicurezza. Prima di finalizzare la scelta, verificare sempre la tensione a vuoto effettiva (Voc) dell’impianto alla temperatura ambiente minima prevista.

Posso utilizzare lo stesso dispositivo di protezione contro le sovratensioni in CC (DC SPD) sia per il quadro di combinazione sia per l’ingresso dell’inverter?

Sì, in molti casi lo stesso modello di SPD CC può essere utilizzato in entrambe le posizioni, purché i valori nominali di tensione e corrente siano adeguati per entrambe le posizioni nel circuito. Tuttavia, il dispositivo installato nel quadro di combinazione potrebbe essere esposto a correnti di sovratensione più elevate a causa della sua vicinanza all’impianto fotovoltaico; pertanto, alcuni progettisti scelgono un valore Imax superiore per tale posizione. Lo SPD CC lato inverter può spesso essere un dispositivo standard da 20 kA, mentre la posizione nel quadro di combinazione potrebbe richiedere un’unità da 40 kA in ambienti ad alto rischio.

Come faccio a sapere quando il mio SPD CC deve essere sostituito?

La maggior parte dei dispositivi SPD in corrente continua include un indicatore visivo di stato che ne modifica l'aspetto quando il dispositivo ha raggiunto la fine della vita utile o è stato scollegato termicamente dopo aver assorbito un sovratensione di grande entità. Controllare la finestra dell'indicatore durante ogni intervento di manutenzione. Un cambiamento rispetto al normale colore o alla normale posizione indicante lo "stato di funzionamento" verso l'indicazione di "guasto" significa che il dispositivo deve essere sostituito tempestivamente. Se il sistema prevede il monitoraggio remoto con contatti ausiliari, è possibile ricevere un avviso automatico prima della successiva visita programmata.

È obbligatorio prevedere uno SPD in corrente continua per gli impianti fotovoltaici ai sensi delle norme elettriche?

I requisiti variano in base alla giurisdizione e al tipo di installazione, ma molte norme elettriche nazionali e regionali — compresi gli standard conformi alla IEC 60364 e all’Articolo 690 del NEC — richiedono o raccomandano fortemente la protezione contro le sovratensioni sul lato CC dei sistemi fotovoltaici, in particolare per impianti che superano determinati valori di tensione o potenza. Oltre all’adeguamento alle normative, il caso pratico a favore dell’installazione di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni in corrente continua (DC SPD) è di per sé convincente: il costo del dispositivo rappresenta solo una piccola frazione del valore degli apparecchi che esso protegge, e il rischio di danni causati da sovratensioni negli ambienti esterni dedicati ai sistemi solari è ampiamente documentato.