Energia Solare Fotovoltaica Sezione 4 Gli organi di manovra

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1 Energia Solare Fotovoltaica Sezione 4 Gli organi di manovra Corso di ENERGETICA A.A. 2014/2015 Docente: Prof. Renato Ricci Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche

2 Definizioni (2) Gli ORGANI DI MANOVRA sono dei dispositivi elettrici che garantiscono l interruzione dell impianto fotovoltaico per: 1. SEZIONAMENTO, al fine di eseguire lavori elettrici 2. INTERRUZIONE, per eseguire lavori non elettrici sulle apparecchiature 3. INTERRUZIONE DI EMERGENZA, di fronte al rischio di pericolo imminente 4. COMANDO FUNZIONALE, per aprire o chiudere un circuito al fine di svolgere una funzione. Bisogna ricordare che un impianto fotovoltaico non può essere spento, in quanto in presenza di radiazione solare si ha comunque il sistema sotto tensione; è così molto probabile che si debba operare in condizioni pericolose, quando l operazione inerisce tutta la parte sotto tensione del generatore. La norma CEI riporta tutte le prescrizioni e le procedure da adottare nei lavori sotto tensione. I DISPOSITIVI si dividono in: DISPOSITIVO GENERALE (DG) dell impianto utilizzatore; ha lo scopo di separare l impianto utilizzatore dalla rete ed è posto a valle del gruppo di misura dell energia. Si tratta di un Interruttore automatico idoneo al sezionamento, eventualmente differenziale. DISPOSITIVO DI INTERFACCIA (DDI) che separa l impianto FV dal resto dell impianto utilizzatore, su comando del sistema di PROTEZIONE DI INTEFACCIA (PI). DISPOSITIVO DEL GENERATORE (DDG) che assicura il sezionamento dell impianto fotovoltaico o di una parte di esso, come un sottocampo, in caso di guasto. In genere è un interruttore automatico oppure un contattore (1) protetto da fusibili. (1) Il contattore conosciuto pure come teleruttore, può essere sia di tipo elettromeccanici e contattori statici; nei primi la commutazione dei contatti interni(manovre di apertura e chiusura) del dispositivo avviene mediante il movimento di contatti elettrici (Contattori elettromeccanici),nei secondi la commutazione dei contatti avviene mediante il comando di dispositivi elettronici (Contattori statici). I contattori elettromeccanici si dividono in due grandi categorie: su barra, progettati per sopportare elevati valori delle correnti e delle tensioni di impiego; compatti, attualmente i più usati, in cui tutte le varie parti che compongono il dispositivo sono contenute in una scatola isolante. Le parti essenziali di un teleruttore elettromeccanico sono: la bobina di eccitazione, i contatti principali, il nucleo magnetico e i contatti ausiliari. La bobina di eccitazione può essere alimentata sia in corrente alternata che in corrente continua con tensione di alimentazione 24V, 48V,110V,230V, 400V in corrente alternata.

3 Definizioni (2) Contattore Elettromeccanico Contattore Statico

4 Schema di connessione alla rete BT: caso generale DISPOSITIVO GENERALE (DG) dell impianto utilizzatore; ha lo scopo di separare l impianto utilizzatore dalla rete ed è posto a valle del gruppo di misura dell energia. Si tratta di un Interruttore automatico idoneo al sezionamento, eventualmente differenziale. DISPOSITIVO DI INTERFACCIA (DDI) che separa l impianto FV dal resto dell impianto utilizzatore, su comando del sistema di PROTEZIONE DI INTEFACCIA (PI). DISPOSITIVO DEL GENERATORE (DDG) che assicura il sezionamento dell impianto fotovoltaico o di una parte di esso, come un sottocampo, in caso di guasto. In genere è un interruttore automatico oppure un contattore protetto da fusibili. In assenza di impianto utilizzatore il Dispositivo di Interfaccia può coincidere con l Interruttore generale. In tal caso DDI=DG In un impianto MONOINVERTER l interruttore del Generatore (DDG) essendo unico può svolgere anche la funzione di Dispositivo di Interfaccia (DDI). In tal caso DDG=DDI

5 Schema di connessione alla rete BT: casi particolari In un impianto MONOINVERTER l interruttore del Generatore (DDG) essendo unico può svolgere anche la funzione di Dispositivo di Interfaccia (DDI). In tal caso DDG=DDI In assenza di impianto utilizzatore il Dispositivo di Interfaccia può coincidere con l Interruttore generale. In tal caso DDI=DG

6 Schema di connessione alla rete MT: caso con più inverter monofase Il dispositivo generale è costituito da un interruttore tripolare con sganciatore di apertura. La protezione generale comprende: 1. Un relè di massima corrente di fase a tre soglie di intervento (soglia di sovraccarico-51) e (soglia instantanea-50) 2. Un relè di massima corrente omopolare di terra (51N) a due soglie di intervento, oppure un relè di protezione direzionale di terra a due soglie (67N) 3. Codice ANSI 27- Protezione di Tensione minima 4. Codice ANSI 59 Protezione di Tensione Massima 5. Codice ANSI 81 Protezione di minima e massima frequenza 6. Codice ANSI 21 Protezione di impedenza Il dispositivo di interfaccia può essere posto sia sul lato media tensione che sulla bassa. Qualora vengano impiegati inverter monofase di potenza fino a 10 [kw] il sistema di protezione di interfaccia può essere integrato nel convertitore stesso, per potenze complessive non superiori a 30 [kw].

7 Schema di connessione alla rete MT: caso con inverter trifase e trasformatori BT/MT

8 Dispositivi di Interfaccia (CEI 82-25) Il DISPOSITIVO DI INTERFACCIA (DDI) deve essere costituito da uno dei seguenti componenti: 1. Interruttore Automatico idoneo al sezionamento 2. Contattore onnipolare di categoria AC-3 3. Interruttore di manovra-sezionatore con fusibili. Specifiche del sistema di Protezione di Interfaccia (PI) Il DDI è controllato in apertura da un apposito Sistema di Protezione di Interfaccia (PI) tramite una bobina a mancanza di tensione. La bobina è alimentata in serie dai contatti di scatto dei relè della protezione di interfaccia e determina l apertura dello DDI in caso di intervento per protezione o per mancanza di alimentazione ausiliaria. La tabella riportata a fianco definisce le caratteristiche del sistema di Protezione di Interfaccia. Bisogna aggiungere che per potenze fino a 6 [kw] in monofase e 20 [kw] in trifase è ammesso che la protezione di interfaccia possa essere sostituita dal sistema di controllo dell Inverter. Il Dispositivo di Interfaccia DEVE essere unico per tutto l impianto fotovoltaico; fanno eccezione solo gli impianti di potenza complessiva fino a 20 [kw] trifase dove sono ammessi fino a TRE dispositivi di interfaccia distinti, che possono coincidere con i Dispositivi di Generatore (DDG). Sempre per quest ultima fascia di potenza l ENEL accetta che il dispositivo di interfaccia, che funge anche da DDG, sia interno all inverter, dove per potenze maggiori deve sempre essere esterno.

9 Dispositivi di manovra e sezionamento Sul lato CORRENTE ALTERNATA degli Impianti fotovoltaici vengono utilizzati INTERRUTTORI AUTOMATICI (MagnetoTermici) di tipo sia domestico che industriale. I primi garantiscono SEMPRE il sezionamento del circuito mentre i secondi lo assicurano solo se dichiarato dal Costruttore. Gli interruttori di manovra di bassa tensione sono NON AUTOMATICI e sono destinati a stabilire, portare ed interrompere le correnti del servizio ordinario, ma non quelle di cortocircuito. Sul lato CORRENTE CONTINUA degli Impianti fotovoltaici NON vengono utilizzati INTERRUTTORI AUTOMATICI di tipo domestico. Quelli di tipo industriale per CA possono essere usati ma con tensioni massime ben aldisotto di quelle di targa. Più in generale NON SI USANO INTERRUTTORI AUTOMATICI. Sono invece utilizzati gli interruttori di manovra-sezionatori, spesso in categoria DC20, e quando la tensione nominale dell interruttore è inferiore alla massima tensione del generatore FV è necessario collegare in serie DUE o più poli dell interruttore per il sezionamento di ogni polo del sistema. In questo modo si riducono le tensioni di arco su ciascun polo. Qualora invece la corrente da interrompere è elevata si possono collegare in parallelo i poli dell interruttore. SEZIONAMENTO Per sezionamento si intende la manovra che interrompe e isola elettricamente un circuito o un apparecchio utilizzatore dal resto dell'impianto. Esso contribuisce a garantire la sicurezza del personale incaricato di eseguire lavori, riparazioni, localizzazione di guasti, sostituzione di apparecchi, su o in vicinanza di parti attive (pericolo di contatto diretto).

10 Categorie di utilizzazione di dispositivi di manovra (CEI 17-11) Corrente nominale termica Ith: Massimo valore di corrente specificato dal costruttore che l'apparecchio "a giorno" può portare nel servizio di 8 ore quando provato in aria libera, senza che le sovratemperature delle sue varie parti superino i limiti specificati (p.e.: max deltat per i terminali 70 C) Corrente di impiego nominale Ie: E' la corrente assegnata dal costruttore e tiene conto della tensione di impiego nominale, della frequenza, del servizio nominale, della categoria di utilizzazione e del tipo di custodia. Categoria di utilizzazione: Definiscono le condizioni di prove dell'apparecchio durante le verifiche alla durata elettrica e al corto circuito. Tensione nominale di isolamento Ui: Definisce le distanze in aria e superficiali e le tensioni di prova. Solitamente la tensione di isolamento corrisponde al valore massimo della tensione di impiego Tensione di impiego nominale Ue:E' il valore di tensione che combinato con il valore di corrente determina l'applicazione dell'apparecchio (categoria di utilizzazione) Potere di interruzione: E' il valore di corrente, assegnata dal costruttore, che l'apparecchio è capace di interrompere alla tensione di impiego nominale. Il potere di interruzione è espresso dal valore efficace della componente alternata Corrente di breve durata ammissibile: E' il valore di corrente che l'apparecchio può sopportare senza danneggiarsi (solitamente la durata è 1 secondo). Per corrente alternata è il valore efficace della corrente di prova. Potere nominale di chiusura in corto circuito: E' il massimo valore di cresta della corrente presunta che l'apparecchio è in grado di chiudere con la tensione di impiego, alla frequenza nominale e con uno specifico fattore di potenza (o costante di tempo per corrente continua). Corrente di corto circuito nominale condizionata da fusibile: E' la corrente di corto circuito nominale quando il dispositivo di protezione limitatore di corrente è un fusibile.

11 Interruttore Automatico L interruttore automatico è un apparecchio meccanico di manovra capace di stabilire, portare ed interrompere correnti in condizioni normali del circuito ed inoltre di stabilire, portare per una durata specifica ed interrompere, correnti in condizioni anormali specificate del circuito, ad esempio quelle di corto circuito. L interruttore è tra l altro caratterizzato dall avere due posizioni che mantiene in condizione di riposo (dopo la manovra che le ha determinate) senza che sia necessario un ulteriore apporto di energia. E un apparecchio in grado di connettere e disconnettere un circuito dall alimentazione mediante un operazione, manuale o automatica, in genere di tipo indipendente perché permette di raggiungere le posizioni di aperto e chiuso senza arresto in posizioni intermedie con velocità di apertura/chiusura svincolata dalla velocità di manovra dell operatore. La parola automatico sta ad indicare un apparecchio che interviene automaticamente quando è attraversato da una corrente superiore alla sua corrente nominale. Le modalità dell intervento dipendono essenzialmente dall entità della sovracorrente e dalla caratteristica di intervento dell interruttore. Ogni interruttore è fornito di due sganciatori di sovracorrente di cui uno (relè termico), a tempo inverso, provoca l apertura con un ritardo inversamente proporzionale al valore della sovracorrente, mentre l altro (relè elettromagnetico), ad intervento istantaneo provoca l intervento a partire da un determinato valore di sovracorrente (relativamente elevato) con un tempo pressoché costante Gli Interruttori automatici di tipo domestico hanno corrente nominale fino a 125 [A] e non sono regolabili né ritardabili; la categoria utilizzata è quella con caratteristiche di intervento di tipo-c, ossia con soglia di intervento magnetico compresa fra 5 In e 10 In. Gli Interruttori automatici ad uso industriale hanno correte nominale fino a 4000 [A] e sono regolabili e ritardabili. TENSIONE NOMINALE: è il valore della tensione a cui sono riferite le prestazioni dell'interruttore in fase di chiusura ed interruzione su cortocircuito. TENSIONE PER IL COORDINAMENTO DELL' ISOLAMENTO: è la resistenza dielettrica che deve avere l'apparecchio alle sollecitazioni delle sovratensioni. CORRENTE TERMICA NOMINALE Ith: è il valore di corrente che l interruttore può condurre senza che le sovra temperature delle sue varie parti superino i valori stabiliti dalla norma (8 ORE). CORRENTE INTERROTTA NOMINALE In: è la corrente relativa al servizio interrotto di durata superiore alle 8 ore. POTERE DI INTERRUZIONE: è l'attitudine di un interruttore ad interrompere la corrente durante il corto circuito, indicante il massimo valore efficace della componente simmetrica della corrente di cortocircuito presunta che l'apparecchio è in grado di interrompere. POTERE NOMINALE DI CHIUSURA DI CORTOCIRCUITO: è il valore massimo di cresta della corrente di cortocircuito presunta che l'interruttore è in grado di chiudere alla frequenza nominale.

12 Tipologia degli interruttori differenziali Gli interruttori differenziali si classificano in tipo AC, tipo A e tipo B in base alla forma d'onda della corrente differenziale a cui sono sensibili. Gli interruttori differenziali di tipo AC sono interruttori differenziali il cui intervento è garantito solo per correnti differenziali di forma sinusoidale, cioè la medesima forma d'onda della tensione di rete. Il tipo AC è quello più semplice ed è adatto in presenza di carichi lineari, quali lampadine senza alimentatori o regolatori elettronici. Gli interruttori differenziali di tipo A sono interruttori differenziali il cui intervento è garantito come per il tipo AC e inoltre e vengono generalmente impiegati in circuiti monofase: 1 - per correnti differenziali pulsanti unidirezionali con o senza controllo dell angolo di fase, 2 - per correnti differenziali pulsanti unidirezionali sovrapposte ad una corrente continua senza ondulazioni di 0,006 A indipendenti dalla polarità, applicate improvvisamente o lentamente crescenti. Gli interruttori differenziali di tipo B il cui intervento è assicurato come per il tipo A e generalmente sono impegati in circuiti trifase. Oltre a ciò presentano le seguenti caratteristiche di intervento: 1 - per correnti differenziali sinusoidali differenziali fino a 1000 Hz, 2 - per correnti differenziali continue senza ondulazioni di 0,4 volte la corrente differenziale nominale (Idn) o 10 ma scegliendo il valore più elevato sovrapposto ad una corrente alternata, 3 - per correnti differenziali continue senza ondulazioni di 0,4 volte la corrente differenziale nominale (Idn) o 10 ma scegliendo il valore più elevato sovrapposto ad una corrente differenziale pulsante unidirezionale, 4 - per correnti differenziali pulsanti unidirezionali raddrizzate risultanti da due o più fasi, 5 - per correnti differenziali continue senza ondulazione indipendenti dalla polarità, applicate improvvisamente o lentamente crescenti.

13 Scaricatori di Sovratensioni (Surge Protection Device) La protezione da sovratensioni associate a scariche atmosferiche DEVE essere garantita in tutti blocchi funzionali dell impianto fotovoltaico: blocco di CC e blocco in CA. Il dimensionamento semplificato di un SPD, nel caso di CORRENTE CONTINUA, può essere fatto con la formula seguente: V N V ( STC) 1.20 [ V ] SPD pannelli OC cc questo perché nel quadro di campo la tensione massima di fotovoltaico è quella di una Stringa. Una volta effettuato il calcolo si sceglierà, da catalogo, il modello di SPD che presenta una tensione appena superiore a quella calcolata. In genere la taglia maggiormente diffusa è la 600 Vcc ed il dispersore deve essere posizionato nel quadro di campo. Sul lato TENSIONE ALTERNATA la tensione di SPD può essere scelta di circa 330 Vac, ovviamente in Bassa Tensione. Un dispositivo SPD è un VARISTORE, ossia è in grado di diminuire la sua resistenza elettrica quando la tensione applicata ai suoi capi supera un determinato valore, in tal modo si scarica la corrente in ingresso verso il POLO EQUIPOTENZIALE dell impianto di protezione. Ogni SPD presenta una durata massima che è legata al numero di scariche che può sopportare, in genere 20 scariche. Chiaramente se la zona dove opera l impianto presenta una frequenza di fulminazione annua molto alta si ha che lo SPD avrà una durata limitata nel tempo, e comunque sicuramente minore della vita dell impianto stesso.

14 Metodo della sfera rotolante L angolo di protezione di un asta di captazione può essere calcolata mediante il metodo della Sfera Rotolante. Tale metodo prevede che l angolo venga individuato accostando una sfera di raggio r- all asta stessa, ed iniziandone ad aumentare il raggio fino a che la retta uscente dall apice del captatore, e diretta verso terra, non tagli in due superfici uguali, una esterna ed una interna, la sfera stessa. h1 è l altezza dell asta di captazione 14

15 Metodo della sfera rotolante (2) L altezza, h, delle aste di captazione DEVE sempre essere maggiore della profondità di penetrazione della sfera e tale da evitare che la stessa entri in contatto con il generatore fotovoltaico. p r r 2 (d / 2) 2 15

16 Metodo della sfera rotolante (3) 16

17 Metodo della sfera rotolante (4) 17