Dispositivi di protezione contro le sovratensioni DC: guida alla selezione per solare fotovoltaico, BESS, ricarica EV e applicazioni industriali DC

Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni DC (SPD DC) limita la sovratensione transitoria su un circuito di alimentazione a corrente continua. La selezione corretta inizia con la funzione del circuito protetto, non semplicemente la sua tensione: le applicazioni DC dedicate ai generatori fotovoltaici rientrano nella IEC 61643-31; le applicazioni di alimentazione DC non fotovoltaiche idonee rientrano nella IEC 61643-41; i circuiti di alimentazione AC utilizzano la IEC 61643-11; i circuiti di telecomunicazione e segnalazione utilizzano la IEC 61643-21.

After identifying the correct product-standard scope, verify maximum continuous DC voltage, source and fault-current behavior, protection modes, surge duty, voltage protection level, grounding arrangement, disconnection, and backup protection. A solar SPD and a battery SPD are not automatically interchangeable because both labels show the same voltage.

Punti di forza

• DC per generatori fotovoltaici: valutare IEC 61643-31:2018, inclusa l'esclusione dichiarata dalla norma per gli SPD associati ai sistemi di accumulo di energia fotovoltaica.
• Alimentazione DC non-PV: valutare IEC 61643-41:2025 con i relativi IEC 61643-01 requisiti, oltre alle condizioni reali di alimentazione e di guasto.
• Circuiti di alimentazione AC: utilizzare lo specifico per AC IEC 61643-11:2025; non citarlo come l'attuale standard di prodotto generale per batterie, veicoli elettrici o alimentazione DC industriale.
• Dati e segnalazione: usa IEC 61643-21:2025 ove applicabile, incluse le linee di comunicazione che trasportano anche alimentazione.
• Selezionare la tensione nominale in base alla massima tensione di circuito continua credibile; per il fotovoltaico, tenere conto della tensione a circuito aperto alla temperatura delle celle più bassa pertinente.
• Verificare la corrente di cortocircuito presunta, il comportamento della sorgente, la capacità del sezionatore, la protezione di backup e le modalità di protezione dichiarate dal produttore prima di accettare qualsiasi SPD DC.

Quale norma IEC si applica a ciascun circuito?

Circuito protetto	Avvio della valutazione dello standard di prodotto	Perché rientra in questa categoria	Limitazione importante
Stringa DC del generatore fotovoltaico, uscita del quadro di parallelo o ingresso lato DC dell'inverter	IEC 61643-31:2018	Il campo di applicazione pubblicato riguarda specificamente il lato DC dei generatori fotovoltaici e degli inverter.	La norma esclude gli SPD per sistemi fotovoltaici con accumulo di energia, come batterie o banchi di condensatori.
Alimentazione DC collegata a batteria, bus DC non-PV o alimentazione DC industriale idonea	IEC 61643-41:2025 con i requisiti IEC 61643-01 applicabili	Part 41 addresses DC low-voltage power circuits and equipment up to 1,500 V DC.	Le caratteristiche della sorgente, la sovratensione temporanea, la corrente di guasto, l'ambito esatto del prodotto e le regole specifiche dell'apparecchiatura richiedono una valutazione separata.
Ingresso AC per ricarica EV, uscita AC dell'inverter o quadro di distribuzione AC	IEC 61643-11:2025 con i requisiti IEC 61643-01 applicabili	La Parte 11 riguarda i circuiti di alimentazione e le apparecchiature a bassa tensione AC.	Un riferimento a uno standard di prodotto AC non stabilisce l'idoneità per un circuito di alimentazione DC.
Ethernet, PoE, RS485, strumentazione o altra interfaccia di segnalazione idonea	IEC 61643-21:2025 con IEC 61643-01:2024	La Parte 21 riguarda le reti di telecomunicazione e di segnalazione, incluse le linee che forniscono anche alimentazione.	Una linea di comunicazione che trasporta alimentazione DC non diventa automaticamente un circuito di alimentazione DC della Parte 41.

Il numero della norma identifica un quadro di valutazione; non stabilisce che ogni modello sia idoneo per ogni circuito all'interno di tale ambito. Verificare l'edizione esatta, la documentazione del prodotto, le modalità operative dichiarate, il mercato di progetto e le condizioni di installazione effettive.

Per la tabella di corrispondenza più ampia pubblicazione per pubblicazione, vedere Spiegazione delle norme IEC 61643 per SPD.

Perché la selezione di un SPD DC differisce dalla selezione di un SPD AC

I circuiti DC mantengono una polarità costante invece di seguire i regolari passaggi per lo zero della tensione alternata di un sistema elettrico AC. Ciò modifica lo stress di tensione, il comportamento della sorgente, l'interruzione dei guasti, la progettazione dei sezionatori e il coordinamento.

Le conseguenze dipendono dalla sorgente:

• Un impianto fotovoltaico (PV) presenta caratteristiche di sorgente regolate dai moduli, dall'irraggiamento, dalla temperatura e dalla configurazione delle stringhe.
• Un banco batterie può presentare una notevole energia disponibile e una corrente di guasto presunta.
• Un convertitore per la ricarica di veicoli elettrici (EV) può imporre condizioni specifiche di messa a terra, isolamento, controllo e guasto dell'apparecchiatura.
• Un alimentatore DC industriale può essere messo a terra, flottante, isolato, bipolare, a corrente limitata o supportato da un banco di batterie o condensatori.

Un SPD solo per AC non dovrebbe essere installato su un circuito DC senza l'esplicita approvazione del produttore specifica per quel modello per tale applicazione DC. Al contrario, un SPD classificato per PV non dovrebbe essere considerato automaticamente idoneo per un bus di batteria, e un SPD DC generico non dovrebbe essere dato per idoneo per un circuito di un generatore fotovoltaico.

Classificazioni SPD DC: convertire le condizioni operative in specifiche

Variabile di selezione	Dichiarazione comune	Cosa stabilire	Cosa non dare per scontato
Tensione operativa continua	DC Uc, Ucpv, o MCOV specifica di mercato	La massima tensione continua credibile in ogni modalità di protezione dichiarata.	La tensione nominale del bus è uguale alla tensione operativa nel caso peggiore.
Livello di protezione	Up o dichiarazione specifica per il mercato applicabile	Il dispositivo e il collegamento installato devono proteggere il livello di tenuta all'impulso pertinente dell'apparecchiatura.	Il valore Up della scheda tecnica include già tutta la caduta di tensione del cablaggio di campo.
Capacità di scarica ripetuta	In, ove applicabile	La corrente di scarica nominale dichiarata e la base di prova corrispondono all'esposizione valutata.	Una corrente di picco pubblicizzata maggiore migliora automaticamente ogni installazione.
Capacità di scarica massima	Imax, ove applicabile	La forma d'onda dichiarata, su base per-modo/per-polo, e il servizio previsto sono idonei.	I valori aggregati di kA di marketing sono direttamente confrontabili con le dichiarazioni per-modo.
Servizio di impulso da fulmine	Iimp, ove applicabile	La progettazione e la valutazione del rischio richiedono effettivamente il servizio di prova di corrente da fulmine dichiarato.	Ogni sistema esterno necessita automaticamente della stessa classificazione di Tipo 1.
Comportamento in cortocircuito	Dichiarazione di tenuta/corrente di cortocircuito applicabile, come Isccr; SCCR laddove si applichi tale quadro normativo	Corrente di guasto disponibile, dispositivo di backup testato, comportamento del sezionatore e limiti del produttore.	SCCR è la terminologia di marcatura universale per ogni prodotto IEC.
Modalità di protezione	DC+/DC−, DC+/PE, DC−/PE o alternativa dichiarata	Il sistema di protezione corrisponde alla messa a terra della sorgente, alla topologia del sistema e ai conduttori protetti.	Ogni dispositivo a due o tre moduli ha la stessa connessione interna.

La terminologia IEC e nordamericana deve rimanere nel proprio quadro di riferimento. I requisiti di mercato UL 1449, le certificazioni di prodotto, i valori nominali di protezione contro le sovratensioni e le categorie di installazione devono essere verificati quando il progetto li richiede esplicitamente; non sono automaticamente intercambiabili con le dichiarazioni IEC.

Per un esame più approfondito parametro per parametro, vedere come leggere una scheda tecnica di un SPD.

Solare fotovoltaico DC: iniziare con la tensione a circuito aperto corretta a freddo

I moduli FV possono raggiungere una tensione a circuito aperto più elevata quando operano al di sotto della loro temperatura di riferimento. La selezione di un SPD basata solo sulla tensione nominale della stringa può quindi lasciare un margine di tensione inadeguato.

Utilizzare il coefficiente di tensione-temperatura del produttore del modulo e la temperatura di cella di progetto più bassa pertinente. Un'equazione di screening lineare semplificata è:

Voc,cold ≈ Voc,STC × [1 + |βVoc| × (25°C − Tmin)]
String Voc,cold ≈ numero di moduli in serie × modulo Voc,cold

Il coefficiente deve essere inserito come frazione per grado Celsius. Ad esempio, un modulo con una tensione a circuito aperto di 45 V in condizioni di prova standard, un'ampiezza del coefficiente di tensione di 0,0028/°C e una temperatura di cella di progetto di −10°C fornisce:

Voc,cold del modulo ≈ 45 × [1 + 0.0028 × 35]
Voc,cold del modulo ≈ 49.41 V
Voc,cold della stringa da 20 moduli ≈ 988.2 V

Questo è un calcolo illustrativo, non una raccomandazione di prodotto. La progettazione FV finale deve utilizzare l'effettiva scheda tecnica del modulo, il metodo di temperatura applicabile, le condizioni di progetto locali pertinenti, i limiti dell'inverter, la messa a terra del sistema, le tolleranze e i requisiti del produttore. Selezionare un SPD FV la cui Ucpv dichiarata e le cui modalità di protezione rimangano idonee per l'intero circuito nel caso peggiore.

Dove viene valutata la protezione FV DC

Le posizioni di valutazione tipiche includono il combinatore FV, l'ingresso dell'inverter lato FV e altre transizioni esposte identificate dalla valutazione del rischio di fulminazione e dal progetto di installazione.

Conduttori lunghi o instradati esternamente possono giustificare la valutazione della protezione in più di una posizione. Non indicare una soglia fissa di lunghezza del cavo o una selezione universale del tipo a meno che la norma applicabile, la regola di installazione, le specifiche di progetto o le istruzioni del produttore non lo supportino.

Utilizzare guida alla selezione di SPD solari per l'applicazione fotovoltaica dedicata.

Accumulo di energia a batteria: la corrente di guasto modifica la decisione

Un sistema di accumulo di energia a batteria (BESS) può contenere diversi circuiti elettrici, ognuno dei quali richiede la propria valutazione di protezione:

1. Circuiti DC collegati alla batteria e bus DC non PV idonei: valutare i requisiti IEC 61643-41 e IEC 61643-01 applicabili.
2. Conduttori DC del generatore PV dedicato, se presenti separatamente: valutare la norma IEC 61643-31 entro il suo effettivo campo di applicazione pubblicato.
3. Uscita AC del sistema di conversione di potenza e connessione alla rete: valutare la norma IEC 61643-11.
4. Interfacce di gestione batteria, Ethernet, monitoraggio e segnalazione: valutare la norma IEC 61643-21 ove applicabile.

La distinzione critica non risiede nel fatto che un sistema contenga apparecchiature solari. Riguarda piuttosto se il circuito protetto specifico sia in DC da generatore FV, alimentazione DC da batteria/non-FV, alimentazione AC o segnalazione.

La norma IEC 61643-41 osserva che le sue ipotesi di test si basano su una sorgente di alimentazione DC con una caratteristica tensione-corrente lineare e richiede un'attenta valutazione quando le caratteristiche della sorgente differiscono, in particolare per quanto riguarda la corrente di cortocircuito presunta e la sovratensione temporanea. I sistemi a batteria richiedono pertanto prove di idoneità specifiche per il modello, disconnessione coordinata e protezione di backup, non semplicemente una corrispondenza di tensione.

Per l'architettura completa a circuito misto, vedere Protezione dalle sovratensioni per BESS su circuiti DC, AC e di segnale.

Ricarica EV: classificare il circuito, non la stazione di ricarica

Un caricabatterie EV può includere un'alimentazione AC, uno stadio di conversione DC interno, un'uscita DC, alimentazione di controllo, misurazione, networking e interfacce di comunicazione. Una dichiarazione SPD non copre ogni sezione.

Sezione caricabatterie	Avvio della valutazione dell'SPD	Verifiche aggiuntive
Ingresso AC o distribuzione AC a monte	IEC 61643-11 e requisiti di mercato pertinenti.	Tensione di sistema, configurazione di messa a terra, posizione, carico di sovratensione e protezione esterna.
Sezione di alimentazione DC non-PV idonea	IEC 61643-41 e requisiti IEC 61643-01 applicabili.	Architettura del caricabatterie, intervallo di tensione, comportamento della sorgente, isolamento, corrente di guasto e approvazione del produttore.
Bus di alimentazione di controllo	Parte 41 quando si tratta effettivamente di un circuito di alimentazione DC rientrante nell'ambito.	Tensione effettiva della rotaia, messa a terra, requisiti di continuità e corrente di guasto disponibile.
Ethernet, comunicazioni o PoE	IEC 61643-21 quando l'interfaccia rientra nel suo ambito di segnalazione.	Connettore, larghezza di banda, schermatura, erogazione di potenza, perdita di inserzione e collegamento equipotenziale.

L'architettura dell'apparecchiatura del produttore del caricabatterie e gli standard applicabili per le apparecchiature di ricarica possono imporre requisiti aggiuntivi. Non prescrivere un punto di installazione interno né affermare che ogni uscita DC necessiti dello stesso SPD senza la documentazione di progettazione del produttore e la valutazione dei rischi del progetto.

DC industriale e per telecomunicazioni: la tensione nominale è solo l'inizio

Gli impianti industriali possono utilizzare alimentazioni di controllo a bassa tensione, distribuzione DC per telecomunicazioni, alimentazione di controllo con backup a batteria o bus DC a tensione più elevata. La stessa guida DIN può presentare caratteristiche di messa a terra e di guasto molto diverse.

Prima di scegliere un SPD DC industriale, registrare:

• Tensione continua normale e massima, incluse le condizioni di carica tampone o di equalizzazione del caricabatterie, ove applicabile.
• Configurazione della sorgente con messa a terra positiva, negativa, flottante, isolata o bipolare.
• Quali conduttori e modalità di protezione richiedono il coordinamento.
• Capacità di corrente di guasto della sorgente, contributo dell'accumulo e configurazione di eliminazione del guasto.
• Tenuta all'impulso delle apparecchiature collegate e del percorso di connessione installato.
• Condizioni ambientali, accesso per manutenzione, segnalazione remota e requisiti di continuità.
• Se i conduttori protetti trasportano DC potenza o una comunicazione segnale.

Un impianto di alimentazione per telecomunicazioni può comprendere una barra di alimentazione DC valutata secondo la Parte 41 e una connessione Ethernet o di segnalazione separata valutata secondo la Parte 21. La presenza di tensione DC non accorpa tali funzioni di circuito in un unico standard.

Protezione DC di Tipo 1, Tipo 2 e combinata

Il duty test di sovratensione pertinente e la classificazione dell'SPD devono corrispondere allo standard di prodotto, alla dichiarazione del produttore, alla posizione di installazione, alla valutazione del rischio fulminazione e alla progettazione del sistema.

Laddove il quadro normativo applicabile e la documentazione di prodotto utilizzino queste designazioni:

• La capacità di Tipo 1 o combinata Tipo 1+2 può essere presa in considerazione quando la progettazione effettiva richiede un carico di corrente di fulminazione dichiarato.
• La capacità di Tipo 2 può essere appropriata per sovratensioni indotte e di manovra a livello di distribuzione quando l'esposizione valutata e le indicazioni del produttore supportano tale scelta.
• Gli stadi multipli richiedono un coordinamento verificato; non si può presumere che siano compatibili semplicemente perché i loro numeri di tipo stampati differiscono.

L'esistenza di un sistema di protezione contro i fulmini esterno non stabilisce, di per sé, una configurazione SPD universale per ogni conduttore, posizione di installazione o disposizione di messa a terra. Utilizzare Selezione SPD Tipo 1 vs. Tipo 2 vs. Tipo 3 per la specifica domanda di classificazione.

Installazione: Collegamento equipotenziale, lunghezza dei cavi e protezione di backup

I valori nominali corretti del dispositivo non compensano un'installazione scadente. L'SPD deve essere collegato secondo il suo schema esatto e l'architettura di messa a terra del circuito DC protetto.

Mantenere il collegamento completo tra i conduttori protetti, qualsiasi dispositivo di backup specificato, i morsetti dell'SPD e il punto di collegamento equipotenziale di protezione approvato il più breve e diretto possibile. Una corrente di sovratensione a rapida ascesa può creare un'ulteriore caduta di tensione sul conduttore, aumentando il livello di protezione visto dall'apparecchiatura.

Utilizzare la disposizione di collegamento equipotenziale approvata e coordinata dell'impianto. Non collegare un SPD a un picchetto di terra isolato, non creare un ulteriore collegamento neutro-terra né modificare il riferimento di messa a terra del sistema senza una progettazione ingegneristica conforme alle normative.

Verificare quanto segue prima della messa in servizio:

1. I collegamenti positivo, negativo e PE corrispondono allo schema del produttore e alla topologia effettiva del sistema.
2. La Uc o Ucpv in DC selezionata copre la tensione continua nel caso peggiore nella modalità pertinente.
3. La corrente di guasto presunta non supera la capacità di cortocircuito dichiarata applicabile del dispositivo con la sua disposizione di protezione specificata.
4. I fusibili o gli interruttori esterni sono dimensionati per DC ove richiesto e corrispondono alle condizioni di coordinamento testate dal produttore dell'SPD.
5. I sezionatori interni e la segnalazione remota si comportano come specificato per la sorgente e l'ambiente di guasto effettivi.
6. Il livello di protezione dalla tensione installato e il posizionamento sono compatibili con l'apparecchiatura protetta.
7. I circuiti AC e di comunicazione adiacenti ricevono protezione secondo il proprio quadro normativo di prodotto appropriato.

Per una guida completa su fase, neutro, PE, dispositivo di protezione e instradamento, utilizzare il guida al cablaggio degli SPD.

Una specifica pratica di approvvigionamento per SPD DC

Chiedere al fornitore di identificare il dispositivo esatto in base ai seguenti campi:

Campo di approvvigionamento	Informazioni richieste
Circuito protetto	DC del generatore FV, alimentazione DC batteria/non-FV, guida DC industriale o altro circuito definito.
Norma ed edizione	Parte e edizione del prodotto IEC applicabile, relazione pertinente con la Parte 01 e approvazione regionale richiesta.
Tensione massima di esercizio	Tensione DC continua nel caso peggiore e Ucpv dichiarato, DC Uc o MCOV applicabile.
Messa a terra e modalità di protezione	Configurazione con messa a terra/isolata/bipolare e dichiarazioni effettive della modalità DC+/DC−/PE.
Carico da sovratensione e fulmine	In, Imax, Iimp dichiarati ove applicabili, forme d'onda associate e base per modalità.
Livello di protezione dell'apparecchiatura	Up dichiarato e presupposti di connessione installata rilevanti per la tenuta dell'apparecchiatura.
Sorgente e corrente di guasto	Caratteristiche effettive della sorgente, corrente di cortocircuito disponibile e informazioni applicabili sulla corrente/tenuta al cortocircuito dichiarata.
Protezione di backup	Tipo di dispositivo esterno richiesto, tensione nominale DC, condizioni di coordinamento e valore massimo di protezione consentito dal produttore.
Monitoraggio e manutenzione	Indicazione di stato, moduli sostituibili, contatto remoto opzionale, accesso per assistenza e istruzioni per la sostituzione.
Evidenza	Scheda tecnica esatta del modello, schema elettrico, rapporto di prova o certificato pertinente ove richiesto e documentazione specifica per il mercato.

Una richiesta di offerta (RFQ) utile non dice solo “SPD 1500 V DC, 40 kA”. Identifica il circuito, la sorgente, la norma, il sistema di messa a terra, la tensione, le modalità di protezione, il carico di sovratensione, le condizioni di corrente di guasto e la documentazione di prodotto richiesta.

Esaminare il Gamma di dispositivi di protezione contro le sovratensioni VIOX solo dopo che tali requisiti applicativi sono stati definiti.

Fonti e riferimenti tecnici principali

• IEC 61643-31:2018: SPD per il lato DC di impianti fotovoltaici.
• IEC 61643-41:2025: SPD collegati a sistemi di alimentazione DC a bassa tensione.
• IEC 61643-11:2025: SPD collegati a sistemi elettrici a bassa tensione AC.
• IEC 61643-21:2025: SPD collegati a reti di telecomunicazione e segnalazione.
• IEC 61643-01:2024: Requisiti comuni e metodi di prova.

L'adozione nazionale applicabile, le istruzioni del produttore, i requisiti specifici dell'apparecchiatura, le regole di mercato e le condizioni effettive del circuito protetto devono essere verificate per ogni installazione.