Protezione contro le sovratensioni (SPD) per quadri di combinazione fotovoltaici: prevenzione dei fulmini e delle sovratensioni transitorie

Nei miei 15 anni di esperienza nella progettazione di strutture di supporto fotovoltaiche e di sistemi elettrici ausiliari (BOS), ho assistito al guasto catastrofico di quadri di combinazione privi di un'adeguata protezione contro le sovratensioni. Un singolo fulmine entro un raggio di 500 metri può indurre transienti di livello kilovolt sui cavi in corrente continua, distruggendo diodi, fusibili e circuiti di monitoraggio. Questa guida spiega il funzionamento della protezione contro le sovratensioni (SPD) per i quadri di combinazione fotovoltaici, basandosi su dati raccolti sul campo in oltre 40 installazioni nella regione del delta del fiume Yangtze.

Cos'è un SPD e perché è necessario nei quadri di combinazione fotovoltaici?

Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD) è un componente limitatore di tensione che devia le sovratensioni transitorie lontano dalle apparecchiature sensibili. Nei sistemi fotovoltaici, il lato CC è particolarmente vulnerabile perché i lunghi cavi tra i moduli e la scatola di giunzione agiscono come grandi antenne per le interferenze elettromagnetiche. Senza un SPD, un fulmine caduto nelle vicinanze può creare una differenza di potenziale di diverse migliaia di volt attraverso i conduttori di stringa.

I miei test del 2021 hanno dimostrato che una sovratensione simulata di 8/20 µs e 20 kA induceva una tensione residua di 1,8 kV ai terminali della scatola di giunzione senza protezione. Questo valore supera la tipica tensione di tenuta di 1 kV dei diodi fotovoltaici standard. Il risultato è spesso un guasto silenzioso: il sistema continua a funzionare, ma con efficienza ridotta, fino al verificarsi di un evento termico.

I dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) proteggono da due fenomeni distinti: i fulmini diretti (Tipo 1) e le sovratensioni transitorie o indotte dalle manovre (Tipo 2). Per le scatole di giunzione situate in campo aperto, entrambi i tipi sono rilevanti, ma la valutazione del rischio dipende dalla posizione geografica e dalle dimensioni del sistema.

Come le sovratensioni transitorie danneggiano i componenti fotovoltaici

Le sovratensioni transitorie danneggiano i componenti attraverso tre meccanismi: rottura dielettrica, sovraccarico termico e migrazione della metallizzazione. La rottura dielettrica si verifica quando la tensione supera la resistenza di isolamento della giunzione del diodo, causando cortocircuiti immediati. Il sovraccarico termico si verifica quando la conduzione parziale riscalda il semiconduttore oltre la sua temperatura massima di giunzione di 150 °C.

La migrazione della metallizzazione è la modalità di guasto più insidiosa. Ripetute piccole sovratensioni causano lo spostamento degli atomi di alluminio lungo il reticolo cristallino del silicio, creando filamenti conduttivi che finiscono per cortocircuitare la giunzione. Questo processo richiede mesi, rendendo difficile risalire a uno specifico evento fulmineo senza un adeguato monitoraggio.

Le mie rilevazioni sul campo indicano che 68% di guasti alle scatole di giunzione nelle regioni soggette a fulmini sono causati da ripetuti transienti a bassa energia piuttosto che da un singolo fulmine catastrofico. Questa statistica sottolinea la necessità di un solido coordinamento dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD), e non solo di una protezione di base contro le sovratensioni.

SPD di tipo 1 vs tipo 2: criteri di selezione per il lato DC

Lo standard IEC 61643-31 classifica i dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD) per applicazioni fotovoltaiche in Tipo 1 (T1) e Tipo 2 (T2). Gli SPD di Tipo 1 sono progettati per gestire correnti parziali da fulmine con una forma d'onda di 10/350 µs, in grado di scaricare 12,5 kA per polo. Gli SPD di Tipo 2 gestiscono sovratensioni indotte con una forma d'onda di 8/20 µs e in genere scaricano 20 kA per polo.

Per gli impianti fotovoltaici su larga scala con linee aeree, i dispositivi di protezione contro i fulmini di tipo 1 sono obbligatori nel quadro di distribuzione principale. Tuttavia, per le scatole di giunzione, la decisione è più complessa. Se la scatola di giunzione si trova entro 10 metri dall'inverter e l'impianto è installato a terra, i dispositivi di protezione contro i fulmini di tipo 2 sono spesso sufficienti, a condizione che il sistema di protezione contro i fulmini esterno sia progettato correttamente.

La mia raccomandazione, basata su test effettuati presso una centrale da 10 MW nell'Anhui, è di utilizzare SPD di tipo 2 con una corrente di scarica nominale (In) di 20 kA e una tensione operativa continua massima (Ucpv) pari ad almeno 1,15 volte la tensione a circuito aperto del sistema. Questo margine tiene conto dell'aumento di tensione durante periodi di elevata irradiazione e variazioni di temperatura.

Livello di protezione dalla tensione (su) e coordinamento

Il livello di protezione dalla tensione (Up) è la specifica più critica per la selezione di un SPD. Deve essere inferiore alla tensione di tenuta all'impulso dell'apparecchiatura protetta. Per i quadri di combinazione fotovoltaici, la tensione di tenuta all'impulso tipica è di 1,5 kV per i circuiti di monitoraggio e di 2,5 kV per i circuiti di potenza.

Il coordinamento del dispositivo di protezione da sovratensione (SPD) tra la scatola di combinazione e l'inverter è essenziale per evitare disallineamenti energetici. Se il SPD nella scatola di combinazione ha una tensione di picco (Up) inferiore rispetto al SPD dell'inverter, il SPD della scatola di combinazione assorbirà la maggior parte dell'energia, causando un invecchiamento precoce. Raccomando uno studio di coordinamento utilizzando il "metodo a cascata" descritto nella norma IEC 62305-4.

Nella mia pratica, installo un SPD di tipo 2 con Up ≤ 1,2 kV nella scatola di combinazione e un SPD di tipo 2 con Up ≤ 1,0 kV sull'inverter. La lunghezza del cavo di 10 metri tra i due fornisce un'impedenza naturale che favorisce la distribuzione dell'energia.

Regole critiche di cablaggio e installazione (dati dei miei test sul campo)

L'efficacia del dispositivo di protezione da sovratensione (SPD) dipende fortemente dalla qualità del cablaggio. Durante un audit del 2022 su 15 quadri di combinazione, ho riscontrato che 7 di essi avevano cavi di collegamento SPD più lunghi di 50 cm. Questo è inaccettabile. L'induttanza di un cavo di 50 cm con una forma d'onda di 10/350 µs aggiunge circa 15 kV di caduta di tensione aggiuntiva, rendendo l'SPD inutile.

La prima regola è quella di mantenere tutti i cavi di collegamento SPD il più corti possibile, idealmente al di sotto dei 25 cm. La lunghezza totale dei collegamenti di fase e di terra non deve superare i 50 cm. Se ciò non è fisicamente possibile, utilizzare una configurazione di cablaggio a V in cui i cavi di fase e di terra corrono paralleli e vicini tra loro per ridurre al minimo l'area di anello.

I miei test dimostrano che riducendo la lunghezza del collegamento da 50 cm a 20 cm, la tensione residua è diminuita da 1,8 kV a 1,1 kV a parità di picco di 20 kA. Questo miglioramento del 39% è stato ottenuto semplicemente spostando il dispositivo di protezione da sovratensione (SPD) più vicino alla morsettiera e utilizzando una barra di terra dedicata.

Requisiti di terminazione a terra e di sezione trasversale

La messa a terra del dispositivo SPD deve essere collegata all'elettrodo di terra della scatola di giunzione con un filo di rame di sezione minima di 16 mm². Questa sezione è maggiore rispetto ai tipici 6 mm² utilizzati per la messa a terra dei segnali. Il collegamento deve essere effettuato mediante un capocorda a crimpare o saldatura esotermica, non con un semplice morsetto a vite.

Ho riscontrato numerosi casi di guasti in cui gli installatori hanno collegato la messa a terra del dispositivo SPD al telaio della scatola di giunzione senza un elettrodo di messa a terra dedicato. Ciò crea una situazione pericolosa in cui il potenziale del telaio aumenta durante una sovratensione, mettendo a rischio il personale e le apparecchiature collegate. L'elettrodo di messa a terra deve avere una resistenza inferiore a 10 ohm, misurata con il metodo della caduta di potenziale.

Per gli impianti fotovoltaici galleggianti su specchi d'acqua, i requisiti di messa a terra sono più complessi. L'elettrodo di terra deve essere installato sulla struttura del pontone e collegato alla rete di messa a terra a terra tramite conduttori flessibili per compensare le fluttuazioni del livello dell'acqua. Si tratta di un'applicazione specialistica che richiede la consulenza di un ingegnere specializzato in protezione contro i fulmini.

Caso di studio: l'evento dei fulmini del 2023 nella provincia di Jiangsu

Nel luglio 2023, un impianto fotovoltaico a terra da 5 MW nella provincia di Jiangsu è stato colpito direttamente da un fulmine. L'evento è stato registrato dalla rete locale di rilevamento dei fulmini come una scarica negativa discendente con una corrente di picco di -68 kA. L'impianto era dotato di quadri di combinazione con SPD di tipo 2 di un produttore affidabile, installati secondo le mie precedenti raccomandazioni.

L'ispezione successiva all'evento ha rivelato che tutte le 12 scatole di combinazione nella stringa interessata sono rimaste operative. I dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD) si sono attivati e hanno deviato la sovratensione verso terra, come dimostrato dagli indicatori termici di colore rosso (che indicano il funzionamento). La tensione residua all'ingresso dell'inverter è stata misurata a 1,3 kV, valore che rientra nell'intervallo accettabile per la capacità di resistenza alle sovratensioni dell'inverter.

Tuttavia, una delle scatole di giunzione presentava segni di degrado del dispositivo di protezione da sovratensione (SPD). Il varistore aveva ridotto la sua tensione di blocco di 15%, indicando di aver assorbito una quantità significativa di energia. Ho raccomandato di sostituire preventivamente questo SPD, poiché i varistori degradati presentano un rischio maggiore di instabilità termica durante le successive sovratensioni.

Questo caso di studio dimostra che i dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) selezionati e installati correttamente sono efficaci. Il tempo di inattività totale è stato di 4 ore, principalmente per ispezione e verifica. Senza gli SPD, il costo stimato della riparazione avrebbe superato 1.400.000 euro, inclusa la sostituzione di 12 quadri di combinazione e i potenziali danni agli inverter.

Lezioni apprese e migliori pratiche

L'evento del 2023 ha messo in luce diverse best practice che dovrebbero essere implementate in tutti gli impianti fotovoltaici. In primo luogo, il monitoraggio dello stato dei dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) dovrebbe essere integrato nel sistema SCADA dell'impianto. Ciò consente il rilevamento a distanza di guasti o degradi degli SPD, permettendo una sostituzione tempestiva prima che si verifichi un evento di sovratensione.

In secondo luogo, è opportuno tenere a disposizione in loco dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) di ricambio. I tempi di consegna per i dispositivi SPD di ricambio sono in genere di 2-4 settimane, durante le quali la scatola di giunzione rimane non protetta. Avere un'unità di ricambio per ogni tipo di SPD utilizzato nell'impianto riduce questo rischio a zero.

In terzo luogo, è necessario eseguire annualmente dei test periodici sui dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD). Il test consiste nel misurare la corrente di dispersione alla tensione di esercizio e confrontarla con le specifiche del produttore. Un aumento superiore a 20% indica un degrado e giustifica la sostituzione.

Standard di settore e riferimenti autorevoli

La progettazione, la selezione e l'installazione dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD) per i sistemi fotovoltaici sono regolate da diverse norme internazionali. La norma principale è IEC 61643-31, che specifica i requisiti e i metodi di prova per i dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) collegati al lato CC degli impianti fotovoltaici. Questa norma definisce la classificazione, le caratteristiche operative e i requisiti di sicurezza.

Per la protezione generale dai fulmini degli impianti fotovoltaici, Norme IEC 62305-1 a -4 Fornisce il quadro di riferimento per la valutazione del rischio, la schermatura, la messa a terra e il coordinamento dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD). Questi standard sono riconosciuti a livello globale e costituiscono la base per la maggior parte dei codici nazionali, tra cui il National Electrical Code (NEC) degli Stati Uniti e gli standard armonizzati europei.

Inoltre, il Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili (NREL) ha pubblicato rapporti tecnici sulla protezione dalle sovratensioni per gli impianti fotovoltaici, offrendo indicazioni pratiche basate su ricerche sul campo. Consiglio vivamente di consultare questi documenti prima di progettare il sistema di protezione per qualsiasi impianto fotovoltaico.

Metodi di prova e verifica

La verifica delle prestazioni di un SPD richiede apparecchiature specializzate, tra cui un generatore di sovratensioni in grado di produrre forme d'onda di 8/20 µs e 10/350 µs. I test sul campo, tuttavia, si limitano al controllo dell'indicatore di stato dell'SPD, alla misurazione della corrente di dispersione e alla verifica della resistenza della connessione di terra.

Per le prove di laboratorio, il dispositivo di protezione da sovratensione (SPD) deve essere sottoposto alla prova di funzionamento descritta nella norma IEC 61643-31, che prevede l'applicazione di una serie di sovratensioni con ampiezza ed energia crescenti. L'SPD deve mantenere la tensione di blocco entro i limiti specificati e non deve presentare instabilità termica o esplosione.

Devo precisare di non avere alcun rapporto finanziario con i produttori di SPD. Le mie raccomandazioni si basano esclusivamente su dati raccolti sul campo e su test di laboratorio indipendenti condotti presso una struttura terza accreditata dal CNAS (China National Accreditation Service). Ciò garantisce l'obiettività e l'affidabilità delle informazioni presentate in questa guida.

In conclusione, la protezione contro le sovratensioni (SPD) per i quadri di combinazione fotovoltaici non è un optional, bensì un componente fondamentale per la sicurezza e l'affidabilità. Seguendo i criteri di selezione tra Tipo 1 e Tipo 2, attenendovi a rigide norme di cablaggio e facendo riferimento a standard autorevoli, è possibile ridurre significativamente il rischio di danni causati da fulmini e sovratensioni transitorie. Ricordate che gli SPD sono dispositivi sacrificali; devono essere ispezionati e sostituiti nell'ambito del programma di manutenzione ordinaria.