Informazione tecnica Correnti di dispersione capacitiva

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1 Informazione tecnica Correnti di dispersione capacitiva Indicazioni per il dimensionamento degli inverter senza trasformatore Sunny Boy, Sunny Mini Central, Sunny Tripower Tutti i moduli FV, grazie a un rapporto fondamentale delle proprietà fisiche, hanno una certa capacità parassita, che è proporzionale alla superficie e dipende inoltre dalle caratteristiche del materiale nonché dal tipo di montaggio. Questa capacità è particolarmente elevata nei moduli FV su sostrati flessibili ma anche in alcuni moduli FV cristallini con lato posteriore metallico integrato. In combinazione con gli inverter senza trasformatore (TL), durante il funzionamento possono verificarsi correnti di spostamento dovute a influssi esterni (pioggia, rugiada), così elevate da far scattare l unità di monitoraggio per correnti di guasto dell inverter o quella della linea di immissione in rete. Come conseguenza l inverter si scollega dalla rete pubblica per un breve periodo di tempo. Di seguito vengono illustrati i principali aspetti tecnici da considerare fin dall inizio per la progettazione dell impianto FV. La presente informazione tecnica si rivolge a due gruppi di lettori: innanzitutto ai produttori di moduli FV sopra indicati, con la richiesta di inoltrare l informazione ai propri clienti e in secondo luogo agli installatori e ai progettisti di impianti. Ableistrom-TI-it-23 Versione 2.3 ITALIANO

2 1 Come si calcola la capacità del generatore FV verso terra? SMA Solar Technology AG 1 Come si calcola la capacità del generatore FV verso terra? Figura 1: C1 C2 C3 Modulo FV con montaggio su tetto e rappresentazione schematica della capacità parassita. Capacità parassita dovuta a strato di acqua sul vetro Capacità parassita dovuta a un supporto con messa a terra Capacità parassita dovuta a superficie del tetto Un modulo FV rappresenta una superficie a conduzione elettrica che si trova di fronte a un supporto con messa a terra. Una simile disposizione che con tensione collegata accumula carica viene chiamata condensatore, la cui capacità è in genere indicata con C. Poiché questa capacità è un effetto collaterale non desiderato viene anche definita capacità parassita. La capacità viene calcolata con la seguente formula e dipende da quattro fattori: C = ε 0 ε r A/d Significato dei fattori: ε 0 : Permettività, costante naturale (8, As/Vm) ε r : Permettività relativa, in base al materiale (ε raria = 1; ε rvetro 5 10) A: Superficie elettricamente attiva del condensatore d: Distanza tra le piastre del condensatore Quali valori possono essere applicati per la superficie A e la distanza d? La risposta non è mai semplice, poiché si deve considerare non solo il tipo di montaggio ma anche i dati del modulo FV. Per questo motivo solitamente non si trovano indicazioni a riguardo nella scheda tecnica. Di seguito viene spiegato, con l ausilio di due esempi, com è comunque possibile eseguire una valutazione (per il vetro utilizzato viene adottato εr = 6). Per il volume delle capacità parassitarie nella figura 1 si applica, in caso di pioggia e bagnato, il seguente rapporto: C1 >> C2 >> C3, dal quale risulta che in caso di pioggia e bagnato solo la capacità di C1 ha effetto mentre C2 e C3 non devono essere ulteriormente considerate. In caso di tempo asciutto, anche C1 è talmente piccola da avere un influsso trascurabile sul funzionamento dell impianto fotovoltaico. Il volume di C1 è pertanto oggetto di ulteriore osservazione solo in caso di pioggia e bagnato. 2 Ableistrom-TI-it-23 Informazione tecnica

3 SMA Solar Technology AG 1 Come si calcola la capacità del generatore FV verso terra? Esempi di stima delle capacità parassite in vari tipi di moduli supponendo che la superficie del vetro venga incessantemente bagnata da acqua Esempio 1: modulo comune con silicio cristallino (monocristallino, policristallino) Grado di rendimento tipico: 15% 20% Spessore del vetro: 3 mm 4 mm Per ogni m² di superficie il modulo possiede una capacità di 12 nf 17 nf Per ogni kw di potenza CC installata l impianto presenta 60 nf 110 nf Per un impianto da 5 kw risulterebbe un valore di 330 nf 550 nf Esempio 2: modulo a film sottile, ad es. CdTe Grado di rendimento tipico: 10% 15% Spessore del vetro: 3,2 mm Per ogni m² di superficie il modulo possiede una capacità di 16 nf Per ogni kw di potenza CC installata l impianto presenta 100 nf 160 nf Per un impianto da 5 kw risulterebbe un valore di 500 nf 800 nf Informazione tecnica Ableistrom-TI-it-23 3

4 2 Come si produce la corrente di dispersione capacitiva? SMA Solar Technology AG 2 Come si produce la corrente di dispersione capacitiva? Durante il funzionamento il modulo FV è collegato alla rete in corrente alternata mediante l inverter. Così, in base al tipo di apparecchio, una parte dell ampiezza di corrente alternata arriva al modulo FV. Qui occorre distinguere due casi diversi (v. anche grafico): Inverter senza trasformatore Quasi tutti gli inverter monofase senza trasformatore trasmettono per motivi operativi la metà dell ampiezza di rete al modulo FV. In molte reti europee con 230 V/50 Hz la disposizione oscilla ad es. con 115 V/50 Hz. Ciò vale solo per i modelli Sunny Boy e Sunny Mini Central con estensione TL nel nome del prodotto. Per gli inverter trifase senza trasformatore le oscillazioni evidenziano, in base al sistema, ampiezze più ridotte producendo così correnti di dispersione più piccole. La trasmissione della tensione CA al modulo FV viene limitata in misura maggiore. Ciò vale per tutti i Sunny Tripower. Inverter con trasformatore Negli inverter con trasformatore la tensione sul modulo FV oscilla con un cosiddetto ripple di pochi Volt. La tensione oscillante modifica costantemente lo stato di carica del condensatore FV parassita. A ciò è collegata una corrente di spostamento che è proporzionale alla capacità e all ampiezza di tensione presente. Il circuito elettrico della corrente di spostamento viene collegato all allacciamento domestico dapprima tramite il collegamento a terra del modulo FV e quello della barra equipotenziale. Per questo motivo tale corrente è chiamata anche corrente di dispersione (capacitiva). Figura 2: Il potenziale del modulo FV inferiore (blu) e superiore (rosso) di una stringa dipende dall inverter impiegato e dal fatto che un polo del generatore sia o meno messo a terra. Esempio per una tensione MPP pari a 400 V Per esperti: la corrente di spostamento I (valore effettivo) viene descritta in termini fisici nel seguente modo: I = Q U = C = C 2π f U t t In questo caso f = 50 Hz è la frequenza di rete e U il valore effettivo della tensione alternata sul generatore FV (circa 115 V per inverter monofase senza trasformatore). Questa corrente di dispersione è una corrente reattiva sfasata di 90 rispetto alla tensione di rete ed è quindi, in prima approssimazione, priva di perdite. 4 Ableistrom-TI-it-23 Informazione tecnica

5 SMA Solar Technology AG 3 Che influsso ha la corrente di dispersione nel rilevamento della corrente di guasto? 3 Che influsso ha la corrente di dispersione nel rilevamento della corrente di guasto? La corrente di dispersione capacitiva descritta al paragrafo 2 è una corrente reattiva (priva di perdite). Se invece a causa di un errore, ad es. per un isolamento danneggiato, si verifica un contatto tra una linea sotto tensione e una persona a contatto con la terra (vedere figura 3), si genera una corrente aggiuntiva involontaria che causa delle perdite e viene definita come corrente di guasto. La somma di entrambe le correnti (corrente di dispersione e corrente di guasto) si chiama corrente differenziale. Corrente differenziale = Corrente di dispersione + Corrente di guasto Le correnti di guasto CA superiori a 30 ma possono rappresentare un pericolo di morte per le persone. Per garantire una protezione supplementare delle persone, oltre all isolamento per il generatore FV, gli inverter senza trasformatore devono scollegarsi dalla rete pubblica al più tardi quando raggiungono una corrente di guasto di 30 ma (norma tedesca DIN VDE ). Per questo motivo durante la modalità di immissione in rete, la corrente differenziale (corrente di dispersione + corrente di guasto) viene misurata tramite un unità di monitoraggio correnti di guasto sensibile a tutte le correnti (RCMU). Quest unità, tuttavia, può misurare solo la corrente differenziale (corrente di dispersione + corrente di guasto). Il calcolo per dedurre la corrente di guasto può essere effettuato solo in determinate condizioni e diventa sempre più difficile con l aumento della corrente di dispersione. A partire da un valore di circa 50 ma le oscillazioni casuali della corrente di dispersione diventano così grandi che possono essere interpretate come correnti di guasto improvvise di oltre 30 ma. In questi casi l inverter si scollega per precauzione automaticamente dalla rete pubblica. Figura 3: Formazione di una corrente di guasto in seguito a contatto tra una linea sotto tensione e una persona a contatto con la terra. Informazione tecnica Ableistrom-TI-it-23 5

6 4 Quando diventa problematica la situazione? SMA Solar Technology AG 4 Quando diventa problematica la situazione? Capacità limite Come descritto prima, per garantire il funzionamento corretto dell unità di monitoraggio della corrente di guasto del generatore FV si devono evitare correnti di dispersione superiori a 50 ma. Poiché la corrente di dispersione dipende direttamente dalla capacità del modulo FV verso terra è possibile indicare per ogni tensione di rete una relativa capacità limite a partire dalla quale si deve prendere in considerazione un funzionamento sensibile ai disturbi. Per tutti gli inverter monofase senza trasformatore, in base alla seguente formula: I = C 2π f U (con I = 50 ma, f = 50 Hz e U = 115 V) risulta una capacità limite di ca nf. Per Sunny Tripower la capacità limite è di nf. Tuttavia, nella pratica, le capacità sopra citate vengono raggiunte solo di rado. Un ampio test sul campo ha dimostrato che nella maggior parte dei moduli vetro-vetro i valori della formula empirica sotto menzionata sono valori di punta che vengono raggiunti solo in caso di pioggia molto intensa. Anche in caso di condensazione mattutina i valori sono elevati, mentre nei momenti di miglior rendimento (quando splende il sole) si scende a valori molti bassi. Nella figura seguente è possibile riconoscere la reazione della corrente di dispersione di un generatore FV nel caso si verifichino tali eventi. Figura 4: Andamento di una corrente di dispersione come reazione alla modifica della capacità parassita del generatore di moduli vetro-vetro in caso di condensazione e pioggia forte Per gli esperti: formula empirica per la capacità di un modulo Se nella formula sopra indicata si inseriscono i seguenti valori per la capacità: ε 0 = 8, As / Vm ε rvetro = 6 Allora da C = ε 0 ε r A / d C [nf] 50 A [m²] / d [mm]. Vale la seguente formula approssimativa: C [nf] 50 A [m²] / d [mm] 6 Ableistrom-TI-it-23 Informazione tecnica

7 SMA Solar Technology AG5 Uso di un interruttore differenziale con soglia di scatto pari a 30 ma in STP 5000TL-20/ 5 Uso di un interruttore differenziale con soglia di scatto pari a 30 ma in STP 5000TL-20/6000TL-20/7000TL-20/8000TL-20/9000TL-20 L immissione simmetrica trifase è correlata a una corrente di dispersione molto ridotta in caso di rete senza disturbi. Gli inverter STP 5000TL-20/6000TL-20/7000TL-20/8000TL-20/9000TL-20 possono inoltre essere attivati con una procedura di regolazione speciale che riduce la corrente di dispersione legata al funzionamento. A tal fine ogni inverter deve essere collegato alla rete pubblica tramite un interruttore differenziale proprio. In caso di uso di un interruttore differenziale da 30 ma, la soglia di scatto dell inverter deve essere impostata tramite i parametri sul valore 30 ma (v. documentazione dell inverter su Informazione tecnica Ableistrom-TI-it-23 7

8 6 Compensazione delle correnti di dispersione capacitiva SMA Solar Technology AG 6 Compensazione delle correnti di dispersione capacitiva La situazione descritta nei capitoli precedenti per il monitoraggio della corrente differenziale nell inverter è applicabile anche al monitoraggio della corrente di guasto nella linea di immissione in rete. Le direttive vigenti locali possono prescrivere l installazione di un interruttore differenziale (RCD) sul lato CA dell impianto FV. In caso di maltempo, come ad es. pioggia forte, la corrente di dispersione del generatore FV può aumentare tanto che la corrente di dispersione capacitiva può far scattare l interruttore differenziale sebbene non sia presente nessuna corrente di guasto. Ciò accade molto spesso negli interruttori differenziali che scattano in presenza di una corrente di guasto contenuta (ad es. pari a 30 ma). Se l interruttore differenziale scatta in seguito a una corrente di dispersione capacitiva e non viene riattivato prontamente, è possibile una notevole perdita di rendimento. Con l impiego di un interruttore differenziale a 4 poli anziché di un tradizionale interruttore per corrente alternata a 2 poli, questa situazione può migliorare notevolmente collegando un condensatore. Il condensatore esterno genera una corrente di compensazione che riduce la corrente di dispersione capacitiva di un valore costante. In questo modo si evita che l interruttore differenziale scatti prematuramente per via di correnti di dispersione capacitiva e si presenta il seguente scenario: Corrente differenziale = Corrente di dispersione + Corrente di guasto - Corrente di compensazione Scatto dell interruttore differenziale Gli interruttori differenziali fanno sempre riferimento a una corrente di guasto nominale che, se raggiunta, li porta a scattare. La soglia di reazione e le tolleranze dipendono, tra i vari fattori, dal tipo di interruttore differenziale. Solitamente si distingue tra i seguenti tipi: A, B e AC. La soglia di reazione di un interruttore differenziale del tipo A è tipicamente indicata con un range di tolleranza, ad es. +0% / -50%. Ciò significa, ad esempio, che un interruttore differenziale con I NOM = 30 ma deve reagire sicuramente a partire da una corrente differenziale pari a 30 ma, mentre non deve avere alcuna reazione al di sotto di 15 ma. Nella pratica scatta sempre tra 15 ma e 30 ma. Scatto con corrente di compensazione La corrente di compensazione influenza la reazione dell interruttore differenziale, come evidenziato nell esempio. Esempio: in un impianto FV con interruttore differenziale sul lato CA che scatta in presenza di 30 ma, si genera una corrente di dispersione capacitiva di I c = 24 ma in seguito a un forte rovescio di pioggia. In un caso normale ciò potrebbe far scattare l interruttore differenziale. Con l ausilio di una corrente di compensazione pari a I comp = 13 ma la corrente differenziale attiva nell interruttore differenziale può essere ridotta di questo valore; la corrente di dispersione che ne risulta ammonta quindi solo a I cap netta = 11 ma (24 ma - 13 ma = 11 ma). In questo modo è possibile evitare che l interruttore differenziale scatti in seguito a corrente di dispersione dovuta alla pioggia. 8 Ableistrom-TI-it-23 Informazione tecnica

9 SMA Solar Technology AG 6 Compensazione delle correnti di dispersione capacitiva Figura 5: Rappresentazione grafica dello scatto con corrente di compensazione Dimensionamento di un condensatore di compensazione Per il dimensionamento del condensatore occorre prestare attenzione al fatto che la corrente di compensazione sia sempre inferiore a quella della soglia più bassa di reazione, poiché altrimenti la corrente di compensazione stessa può far scattare l interruttore differenziale. La capacità C comp del condensatore di compensazione può essere determinata nel seguente modo: C comp = I comp /(U rete x 2 π f) con U rete = 230 V f = 50 Hz I comp = corrente di compensazione desiderata Per I comp < 15 ma risulta un condensatore con una capacità massima pari a C comp < 208 nf Viene impiegato qui il valore standard più piccolo successivo con C comp = 150 nf (+/- 20%) e una corrente di compensazione effettiva di I comp = 11 ma (+/- 20%) Altre caratteristiche del condensatore: Tipo: classe X2 Picco impulso di tensione in funzionamento 2,5 kv Tensione nominale: almeno 230 V CA Tabella dimensionamento Negli interruttori differenziali con correnti nominali più elevate, è possibile aumentare di conseguenza anche la corrente di compensazione, per evitare che l interruttore scatti in modo indesiderato in seguito a correnti di dispersione capacitiva. Corrente nominale interruttore differenziale Soglia di reazione inferiore (-50% I nom ) Capacità consigliata 30 ma 15 ma 150 nf 11 ma 50 ma 25 ma 330 nf 24 ma Corrente di compensazione Efficienza dell interruttore differenziale Nel caso si verifichi un effettiva corrente di guasto, l interruttore differenziale resta sempre efficiente anche con queste misure di compensazione per le correnti di dispersione. Informazione tecnica Ableistrom-TI-it-23 9

10 6 Compensazione delle correnti di dispersione capacitiva SMA Solar Technology AG Allacciamento del condensatore di corrente di compensazione all interruttore differenziale Figura 6: Rappresentazione schematica dell allacciamento di un condensatore di compensazione all interruttore differenziale Conclusione La compensazione di correnti di dispersione secondo il metodo sopra descritto può rappresentare un aiuto efficace negli impianti in cui è possibile che l interruttore differenziale scatti occasionalmente in presenza di cattive condizioni climatiche (ad es. pioggia forte), riducendo la frequenza di scatto o addirittura eliminandola del tutto. 10 Ableistrom-TI-it-23 Informazione tecnica

11 SMA Solar Technology AG 7 Lista di controllo 7 Lista di controllo Già durante la fase di progettazione sarebbe opportuno controllare che tutti gli impianti FV rispettino i requisiti sopra indicati. In caso di dubbio, si consiglia vivamente di coinvolgere il produttore dei moduli FV nel processo di progettazione. Ciò vale in modo particolare quando un tipo di modulo FV deve essere messo in funzione per la prima volta con un inverter senza trasformatore. Inoltre consigliamo le seguenti operazioni di controllo: 1. Il modulo FV in questione possiede le caratteristiche sopra indicate (laminato, lato posteriore in metallo integrato)? In caso affermativo, valutare la capacità in base ai seguenti criteri: Definire la distanza del modulo FV dal tetto e la superficie del modulo FV. Il risultato si colloca già sotto la linea rossa del grafico rappresentato in basso? In caso affermativo: è possibile che l interruttore differenziale scatti involontariamente in presenza di basse correnti nominali. Una compensazione può essere d ausilio. 2. Rivolgersi al produttore dei moduli FV. La capacità parassita è nota? 3. Il metodo più sicuro per identificare possibili problemi durante il montaggio e il funzionamento dell impianto FV è l approvazione del progetto dell impianto da parte del produttore dei moduli FV. SMA Solar Technology AG supporta volentieri i produttori di moduli FV in questo compito. Contatto Service@SMA-Italia.com Tel.: Informazione tecnica Ableistrom-TI-it-23 11