Protezione contro le sovratensioni per il settore fotovoltaico

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1 Indice Esempio applicativo

2 Esempio applicativo significa prevenire i danni A causa della posizione esposta e all ampia estensione, gli impianti fotovoltaici per l impiego di energie rigenerative sono particolarmente minacciati dalle scariche atmosferiche. Le conseguenze possono essere danneggiamenti a singoli segmenti o il guasto dell impianto completo. Le correnti da fulmine e le sovratensioni sono molto spesso causa di danni materiali agli inverter e ai moduli fotovoltaici. Non di rado questi danni comportano un incremento dei costi per il gestore dell impianto fotovoltaico: non solo spese di riparazione elevate, ma anche minore redditività dell impianto. Pertanto un impianto fotovoltaico dovrebbe essere sempre integrato nel preesistente sistema di protezione contro i fulmini e di messa a terra. Per evitare i guasti è necessario adottare sistemi di protezione contro i fulmini e contro le sovratensioni compatibili tra loro. Siamo al vostro fianco per aiutarvi: per un funzionamento ottimale dell impianto e per il conseguimento del profitto previsto! Proteggete il vostro impianto fotovoltaico con una protezione Weidmüller contro i fulmini e contro le sovratensioni: Per la protezione dell edificio e dell impianto fotovoltaico Per l incremento della disponibilità dell impianto Per la tutela del vostro investimento

3 Esempio applicativo Norme e requisiti Quando si installa un impianto fotovoltaico è necessario attenersi alle norme e alle direttive in vigore per quanto concerne la protezione contro le sovratensioni. Il progetto di legge europeo DIN VDE 0100 Parte 712 / E DIN IEC 64/1123/CD (realizzazione di impianti a bassa tensione; requisiti per impianti e ambienti speciali; sistemi Superficie del tetto dopo un sinistro di alimentazione per impianti fotovoltaici) e la norma internazionale per impianti fotovoltaici IEC descrivono la modalità di scelta e realizzazione della protezione contro le sovratensioni per impianti fotovoltaici, consigliando apposite protezioni contro le sovratensioni tra i generatori fotovoltaici. La VdS-Schadenverhütung, nella pubblicazione VdS 2010, richiede una protezione da fulmine e contro le sovratensioni secondo il grado di protezione III per gli edifici con un impianto fotovoltaico > 10 kw. I nostri componenti soddisfano tutti i requisiti previsti e garantiscono pertanto un impianto sicuro anche per il futuro. Inoltre è in fase di preparazione una norma europea relativa ai componenti delle protezioni contro le sovratensioni. Questa norma mira a fornire indicazioni base per quanto concerne la concezione di una protezione contro le sovratensioni sul lato DC degli impianti fotovoltaici. Questa norma si chiama attualmente pren Una norma simile è già entrata in vigore in rancia. Si tratta della norma UTE C I prodotti Weidmüller sono testati ai sensi di queste due norme e offrono pertanto un maggiore livello di sicurezza

4 Esempio applicativo La migliore sicurezza grazie alla protezione contro le sovratensioni Weidmüller I nostri moduli di protezione contro le sovratensioni di classe I e di classe II (scaricatori B e C) limitano piuttosto rapidamente le tensioni, disperdendo in modo sicuro le correnti. In questo modo si evitano costosi danni o guasti all impianto fotovoltaico. Per gli edifici con o senza impianto parafulmine: abbiamo i prodotti giusti per ogni tipo di applicazione! I moduli possono anche essere configurati in modo personalizzato e integrati nella custodia completi di cablaggio. Impiego di limitatori di sovratensioni (SPD) in impianti fotovoltaici Se si utilizzano limitatori di sovratensione (ingl. surge protective device = SPD) in impianti fotovoltaici, è necessario tenere conto di alcune peculiarità. Diversamente dalle applicazioni dei limitatori SPD in sistemi a tensione continua, in un impianto fotovoltaico si registra una sorgente di tensione continua con caratteristiche specifiche. Nel concetto di impianto, considerare queste proprietà specifiche e adattare i limitatori SPD di conseguenza. Gli SPD per impianti fotovoltaici devono essere installati per una tensione a vuoto massima (UOC STC = tensione del circuito elettrico scarico in condizioni di controllo standard) del generatore solare, dal punto di vista della massima disponibilità e sicurezza dell impianto. Il fotovoltaico è una colonna portante della generazione di energia nell ambito delle energie rinnovabili e rigenerative. Protezione antifulmine esterna Vista l enorme estensione e la posizione per lo più esposta, le scariche atmosferiche (ad esempio i fulmini) mettono enormemente a rischio gli impianti fotovoltaici. Si distingue tra effetti diretti dei fulmini e i cosiddetti effetti indiretti (induttivi e capacitivi). La necessità di una protezione antifulmine deriva da un lato dai requisiti normativi e dall altro dal tipo di applicazione, soprattutto se si tratta di un installazione edilizia o sul campo. Nelle installazioni edilizie si distingue tra l installazione del generatore fotovoltaico sul tetto di un edificio pubblico con impianti parafulmine presenti e l installazione sul tetto di una casa colonica senza impianto parafulmine. Le installazioni sul campo, grazie ai moduli di grandi dimensioni, offrono ampie zone di potenziale pericolo. In questo caso si consiglia una protezione antifulmine esterna in grado di impedire gli effetti diretti dei fulmini. Le normative vigenti si trovano nella norma IEC (VDE ), Appendice 2 (installazione secondo la classe di protezione o il livello di pericolosità LPL III) [2] e Appendice 5 (protezione da fulmine e contro le sovratensioni per sistemi di alimentazione V) e nella direttiva VdS 2010 [3], (impianto fotovoltaico > 10 kw, quindi è richiesta una protezione da fulmine). Inoltre sono richieste misure per la protezione contro le sovratensioni. Per questa ragione è preferibile proteggere il generatore fotovoltaico con un dispositivo di raccolta separato. Se tuttavia non fosse possibile evitare un collegamento diretto del generatore fotovoltaico, ovvero se, ad esempio, non viene rispettata la distanza di separazione, bisogna prestare attenzione agli effetti delle correnti da fulmine. In linea di massima, dovrebbero essere utilizzati cavi principali del generatore schermati, in grado di mantenere basse le sovratensioni indotte. Con una sezione di schermatura adeguata (almeno 16 mm² Cu), è possibile anche utilizzare la schermatura per la conduzione di correnti da fulmine. Lo stesso vale per l impiego di custodie chiuse in metallo. Cavi e custodie in metallo devono disporre di messa a terra su entrambi i lati. In questo modo il cavo principale del generatore (lato DC) si trova nell LPZ 1 (ingl.: lightning protection zone), vale a dire che basta un limitatore di sovratensioni SPD del tipo II. In caso contrario sarebbe necessario un limitatore SPD di tipo I. Utilizzo e corretta installazione dei limitatori di sovratensione In generale l impiego e l installazione dei limitatori SPD in impianti a bassa tensione possono essere considerati uno standard sul lato a corrente alternata; al contrario l impiego e la corretta installazione dei generatori fotovoltaici a corrente continua rappresenta una sfida continua. In primo luogo un generatore solare presenta caratteristiche particolari; in secondo luogo i limitatori SPD vengono utilizzati nel circuito a tensione continua. I limitatori SPD convenzionali sono stati principalmente sviluppati per sistemi a tensione alternata e non per sistemi a tensione continua. Da anni esistono apposite norme [4] che valgono anche per le applicazioni a tensione continua. Tuttavia se prima si realizzavano tensioni per sistemi fotovoltaici relativamente più basse, oggi le tensioni presenti ammontano a circa V DC nel circuito V scarico. Questa elevata tensione continua del sistema viene gestita con appositi dispositivi di protezione contro le sovratensioni. Il punto dell impianto V in cui utilizzare gli SPD dipende principalmente dal tipo di impianto, dal sistema adottato e dalla sua estensione. Le figure 2 e 3 mostrano la differenza principale: nel primo caso un edificio con protezione antifulmine esterna e un impianto V montato sul tetto (installazione negli edifici), nel secondo caso un grande generatore V-solare (installazione sul campo), anch esso con impianto parafulmine esterno. Vista la minore

5 Esempio applicativo lunghezza dei cavi, nel primo caso viene realizzata solo la protezione dall ingresso DC all inverter; nel secondo caso gli SPD si trovano sia nella morsettiera del generatore solare (a protezione dei moduli solari) sia sull ingresso DC all inverter (a protezione dell inverter). Se i cavi tra il generatore V e l inverter hanno una lunghezza superiore ai 10 m (ig. 2), gli SPD devono essere installati in prossimità del generatore V e in prossimità dell inverter. La protezione del lato AC, ossia l uscita dell inverter e l alimentazione di rete, deve essere di solito provvista di SPD di tipo II sull uscita dell inverter e in caso di installazione in edifici con protezione antifulmine esterna sul punto di alimentazione di rete con uno scaricatore SPD di tipo I. Peculiarità sul lato DC del generatore solare Per la protezione del lato DC, fino ad oggi si utilizzavano sempre SPD per normali tensioni alternate di rete con circuito di protezione L+ e L al potenziale di terra. Gli SPD sono stati pensati per min. 50 % della massima tensione a vuoto del generatore solare. In caso di utilizzo pluriennale si può verificare un problema di isolamento nel generatore V. Questo stato di errore nell impianto V ha come conseguenza che ora la piena tensione del generatore V sull SPD si trovi sul polo non guasto, ed attiri su di sé un sovraccarico. Se gli SPD basati su varistori ad ossido di metallo vengono sollecitati da tensioni continue permanentemente alte, ciò potrebbe causare la distruzione o la disattivazione del dispositivo di interruzione. Sugli impianti V con tensioni di sistema elevate, in caso di attivazione del dispositivo di interruzione non è possibile escludere, nella peggiore delle ipotesi, un incendio causato dall arco fisso. Nemmeno gli organi di protezione contro la sovracorrente antistanti (fusibili) rappresentano una soluzione, in quanto la corrente da cortocircuito del generatore V è solo di poco superiore a quella della corrente nominale. Oggi gli impianti V vengono sempre più realizzati con tensioni di sistema intorno ai V DC per ridurre al minimo le perdite di potenza. Affinché gli SPD possano dominare queste alte tensioni di sistema, si è ormai imposto come standard il cosiddetto circuito a Y, costituito da tre varistori (ig. 4). Nel caso di un problema di isolamento, ci sono sempre due varistori in serie, il che impedisce in modo efficace un sovraccarico degli SPD. igura 1: Schema concettuale secondo DIN VDE igura 2: Installazione negli edifici con impianto parafulmine esterno e rispetto della distanza di separazione igura 3: Installazione sul campo con impianto parafulmine esterno

6 Esempio applicativo Per riassumere: viene realizzato un circuito di protezione assolutamente esente da corrente di dispersione e si impedisce un attivazione involontaria del dispositivo di interruzione. In questo modo, nello scenario sopra descritto, si impedisce in modo efficace un possibile sviluppo di incendi. Nel contempo si evita anche di compromettere il dispositivo di controllo dell isolamento. Vale a dire che se si verifica un problema di isolamento, si trovano sempre due varistori in serie. Viene così soddisfatto il requisito secondo cui è necessario evitare i guasti a terra. Con lo scaricatore SPD di tipo II VPU II V DC fino a UCPV-Modus +/, /PE, +/PE = V DC Weidmüller offre una soluzione efficiente e orientata alla pratica, vale a dire che questo prodotto è certificato secondo tutte le norme attualmente in vigore (UTE C e pren ) (ig. 4). Assicuriamo quindi il massimo livello di sicurezza in caso di impiego in circuiti di commutazione DC. Solar Panel Problema di isolamento a PE Uoc < 1000 Vc MOV = Metall Oxyd Varistor (Varistore ad ossido di metallo) U MOV U MOV U MOV ig. 4: Circuito di protezione a Y con tre varistori DC Convertitore AC Applicazioni pratiche Come già descritto, nella pratica si distingue tra installazioni per edifici e sul campo. Se è disponibile una protezione antifulmine esterna, il generatore fotovoltaico va integrato preferibilmente come dispositivo di arresto isolato. Pertanto è necessario mantenere una distanza di separazione secondo IEC (VDE ). Se non fosse possibile garantirla, è necessario prevedere correnti da fulmine parziali. La norma IEC (VDE ), Allegato 2 indica nella sezione 17.3: È necessario utilizzare cavi principali del generatore schermati per ridurre le sovratensioni indotte. Con una sezione adeguata (min. 16 mm² Cu), la schermatura può essere utilizzata anche per la trasmissione di correnti da fulmine parziali. Anche nella circolare ABB ( Ausschuss für Blitzschutz und Blitzforschung im VDE ) [5] Protezione antifulmine di impianti fotovoltaici viene indicato che il cavo principale del generatore deve essere schermato. In questo modo si evita di impiegare scaricatori (SPD Tipo I), anche se sono necessari scaricatori di sovratensioni (SPD Tipo II) su entrambi i lati. Come mostra la figura 5, esiste una soluzione pratica tramite un cavo principale del generatore, il che consente di raggiungere una Zona LPZ 1. Pertanto viene richiesto di norma l impiego di scaricatori SPD di tipo II. ig. 5: Installazione negli edifici con protezione antifulmine esterna e mancato rispetto della distanza di separazione

7 Esempio applicativo Soluzioni pronte per l installazione VPU II V DC PV Nella pratica, per semplificare al massimo il montaggio, Weidmüller offre soluzioni pronte per l installazione in grado di proteggere il lato DC e AC sull inverter. I tempi di installazione vengono ridotti dalle grazie alle per pannelli fotovoltaici plug-and-play. Su richiesta Weidmüller si occupa anche di assemblaggi personalizzati. Altro materiale informativo all indirizzo Uno scaricatore di sovratensioni V per l impiego sul lato DC Maggiori informazioni al capitolo C. Nota: attenersi alle norme e alle direttive vigenti a livello nazionale. Letteratura [1] DIN VDE 0100 (VDE 0100) Parte 712: Requisiti per stabilimenti, locali e impianti di tipo speciale Sistemi V di alimentazione elettrica [2] DIN EN (VDE ) Protezione antifulmine, Parte 3: Protezione di edifici e persone Allegato 2 Installazione secondo il grado di protezione o il livello di pericolosità LPL III Allegato 5 Protezione antifulmine e contro le sovratensioni per sistemi V di alimentazione elettrica [3] Direttiva VdS 2010: Protezione antifulmine e contro le sovratensioni orientata al rischio; direttive per la prevenzione dei sinistri VdS [4] DIN EN (VDE ): Protezione contro le sovratensioni per bassa tensione Parte 11: Limitatori di sovratensioni per l impiego in impianti a bassa tensione Requisiti e controlli [5] IEC Protection against lightning Part 3: Physical damage to structures and life hazard [6] IEC Protection against lightning Part 4: Electrical and electronic systems within structures [7] pren Low-voltage surge protective devices Surge protective devices for specific application including d.c. Part 11: Requirements and tests for SPDs in photovoltaic applications [8] Norma francese per la protezione contro le sovratensioni nel campo DC UTE C VPU II V / 40 ka VPU-I-LC-Serie Scaricatore di protezione contro le sovratensioni 230/400-V Adatto per reti energetiche TN-C-S Elevato assorbimento di energia con I max : 40 ka per modulo Maggiori informazioni al capitolo C. Scaricatore di corrente da fulmini o sovratensioni 230/400 V, esente da corrente di fuga Versione unipolare Elevato assorbimento di energia Possibilità di collegamento cavi a forma di V Maggiori informazioni al capitolo C

8 Esempio applicativo Impiego modulare dei nostri componenti di protezione contro le sovratensioni Se l edificio dispone già di un impianto parafulmini, questo deve rappresentare il punto più alto dell intero impianto. Tutti i moduli e i cavi dell impianto fotovoltaico vanno installati sotto il parafulmine. Mantenere distanze di separazione minime tra 0,5 m e 1 m (in funzione dell analisi dei rischi della IEC ). Inoltre l impianto parafulmine esterno di tipo I (lato AC) richiede l installazione di uno scaricatore da fulmini di tipo I nell alimentazione elettrica dell edificio. In assenza di un impianto parafulmine, basta utilizzare scaricatori di tipo II (lato AC). Parafulmine > 0,5 m a 1 m > 0,5 m a 1 m Generatore fotovoltaico Scatole di giunzione 1 Utenza 1* 3 2 Inverter (disegno esemplificativo senza garanzia) 1 VPU II V DC PV Collegamento a stella Y 1* V PU II V DC PV Con distanze > 10 m tra il generatore fotovoltaico e l inverter 2 VPU II V / 40 ka Con distanze > 10 m tra inverter e alimentazione domestica 3 VPU-I-LC-Serie Con impianto parafulmini presente