Cos'è un dispositivo di protezione contro le sovratensioni CC e come scegliere quello giusto?
Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni CC (SPD CC) devia le sovratensioni transitorie su un bus a corrente continua verso terra, proteggendo inverter, caricabatterie e batterie. Selezionarlo facendo corrispondere la tensione massima continua (Ucpv) a un valore superiore alla tensione peggiore del sistema, scegliendo il Tipo 1 o il Tipo 2 in base all'esposizione ai fulmini e verificando lo standard di riferimento: IEC 61643-31 per il fotovoltaico, IEC 61643-11 per veicoli elettrici, BESS e applicazioni industriali in CC.
Un SPD CC specificato correttamente non è intercambiabile con la sua controparte in CA e lo standard applicabile dipende interamente dall'applicazione. Questa guida definisce i parametri, gli standard e i limiti applicativi che determinano se un dispositivo protegge l'apparecchiatura in modo affidabile o se fallisce durante il servizio.
Punti di forza
- La corrente continua non è corrente alternata. Un arco in corrente continua non si auto-estingue al passaggio per lo zero della tensione, pertanto un SPD per CA non offre una protezione sicura su un bus CC e può guastarsi pericolosamente. Utilizzare sempre un dispositivo classificato per CC dimensionato per la tensione del bus.
- Lo standard segue l'applicazione. La norma IEC 61643-31 copre solo il lato CC di generatori fotovoltaici e inverter fino a 1500 V CC. L'accumulo a batteria e a condensatori è esplicitamente escluso, pertanto i dispositivi per BESS, veicoli elettrici e applicazioni industriali in CC sono qualificati secondo lo standard generale IEC 61643-11.
- Cinque parametri determinano la scelta: Ucpv, In, Imax, Iimp e Up. Definire correttamente Ucpv e Up è il primo passo; il resto è coordinamento.
- Il tipo IEC non equivale al tipo UL. I tipi IEC descrivono una classe di prova per sovratensioni; i tipi UL 1449 descrivono la posizione di installazione consentita rispetto al sezionatore di servizio.
- L'installazione determina le prestazioni. Conduttori corti, modalità di connessione corretta per la messa a terra del sistema e protezione da sovracorrente di backup sono importanti quanto la classificazione del dispositivo.
Perché la protezione dalle sovratensioni in CC non è uguale a quella in CA
In un circuito in corrente alternata, la corrente attraversa lo zero cento o centoventi volte al secondo e qualsiasi arco che si formi tra i contatti in apertura viene naturalmente estinto in quel punto di passaggio. Un bus in corrente continua non attraversa mai lo zero. Una volta che un arco si stabilisce all'interno di un dispositivo in degrado, esso si auto-sosterrà finché qualcosa non interromperà il percorso dell'energia. Questa singola differenza fisica guida l'intera progettazione di un SPD per corrente continua: il varistore a ossido metallico (MOV) deve resistere a una tensione unidirezionale continua anziché alternata, e il dispositivo necessita di un meccanismo integrato di disconnessione o di estinzione dell'arco in corrente continua che un'unità per corrente alternata non fornisce. surge protective device (dispositivo di protezione contro le sovratensioni), La conseguenza pratica è netta. Un SPD per corrente alternata installato su una stringa fotovoltaica, un bus di batteria o l'uscita di un caricabatterie rapido in corrente continua non è semplicemente sub-ottimale: è un rischio di incendio. Le tensioni nominali, la chimica del MOV e il comportamento di disconnessione a fine vita sono tutti progettati attorno a forme d'onda in corrente alternata che il circuito in corrente continua non presenterà mai.
Gli standard effettivamente applicabili.
L'errore di specifica più comune nella protezione contro le sovratensioni in corrente continua è l'applicazione dello standard errato per l'applicazione specifica. La tabella sottostante definisce i confini con precisione.
Si applica a.
| Standard | Ambito | Requisiti e metodi di prova per SPD sul lato corrente continua di impianti fotovoltaici ≤ 1500 V DC |
|---|---|---|
| IEC 61643-31 | Stringhe fotovoltaiche e ingressi in corrente continua degli inverter | PV arrays and inverter DC inputs solo—l'accumulo tramite batterie e condensatori è esplicitamente escluso |
| IEC 61643-32 | Principi di selezione e applicazione per SPD fotovoltaici (valutazione del rischio, messa a terra, coordinamento) | Progettazione e posizionamento del sistema fotovoltaico |
| IEC 61643-11 | Requisiti generali e metodi di prova per SPD su sistemi di alimentazione a bassa tensione (≤ 1000 V AC / 1500 V DC) | Ricarica veicoli elettrici in DC, BESS in DC, applicazioni industriali e telecomunicazioni in DC |
| UL 1449 | Standard di sicurezza nordamericano per i dispositivi di protezione contro le sovratensioni | SPD AC e DC venduti nei mercati regolati da UL |
L'esclusione scritta nella norma IEC 61643-31 è il dettaglio che sfugge alla maggior parte delle guide: un dispositivo “conforme alla norma IEC 61643-31” è qualificato per un generatore fotovoltaico, non per il banco batterie ad esso adiacente. È possibile verificare l'ambito di applicazione direttamente nel elenco della norma IEC 61643-31. La norma IEC 61643-32 disciplina invece come come gli SPD fotovoltaici vengono selezionati e posizionati: valutazione del rischio, effetto della messa a terra del sistema sulla modalità di connessione e schemi di protezione coordinati.
Una nota sui numeri di Tipo. Un dispositivo IEC di Tipo 1 viene testato con una corrente impulsiva (Iimp) 10/350 µs che simula un fulmine diretto; un IEC di Tipo 2 viene testato con una corrente di scarica nominale (In) 8/20 µs che rappresenta le sovratensioni indotte e di manovra. La norma UL 1449 utilizza le stesse cifre per indicare qualcosa di completamente diverso: un UL di Tipo 1 può essere collegato a monte del sezionatore di servizio senza protezione da sovracorrente esterna, un UL di Tipo 2 si trova a valle e un UL di Tipo 3 è un dispositivo per il punto di utilizzo. Quando si effettua l'approvvigionamento tra i mercati IEC e UL, confermare esplicitamente entrambe le designazioni; questo confronto tra standard di protezione contro le sovratensioni — IEC 61643 vs UL 1449 vs GB 18802 mappa le equivalenze.
Parametri di selezione principali
Cinque valori nominali determinano se un SPD DC sopravvive e se protegge effettivamente il carico. Leggili in questo ordine.
| Parametro | Simbolo | Significato | Regola selezione |
|---|---|---|---|
| Tensione massima di esercizio continuativo | Uc / Ucpv | La tensione DC costante più elevata che l'SPD tollera indefinitamente | ≥ alla tensione di sistema nel caso peggiore; per il fotovoltaico, una convenzione comune è Ucpv ≥ 1,2 × Voc dell'array alla temperatura minima del sito |
| Corrente di scarica nominale | In | sovratensione 8/20 µs che l'SPD può sopportare ripetutamente | Corrispondente alla frequenza di sovratensione indotta prevista (20 kA è il valore tipico) |
| Corrente di scarica massima | Imax | La più grande sovratensione singola 8/20 µs gestibile da un dispositivo di Tipo 2 | Fornire un margine superiore a In per siti ad alta esposizione |
| Corrente impulsiva | Improvvisazione | Carica da fulmine diretto 10/350 µs per dispositivi di Tipo 1 | Richiesto in presenza di un sistema di protezione contro i fulmini; ~12,5 kA/polo copre quasi tutti i sistemi |
| Livello di protezione della tensione | Su | Tensione passante ai morsetti durante una sovratensione | Almeno il 20% al di sotto della tensione di tenuta a impulso dell'apparecchiatura protetta |
I due parametri che gli ingegneri sbagliano più spesso sono Ucpv—il tensione continua massima di funzionamento—e Up. Se si imposta Ucpv troppo basso, il dispositivo interpreta la tensione operativa normale come un guasto, si surriscalda e invecchia prematuramente. L'insidia nel fotovoltaico è la temperatura: la tensione a circuito aperto di un modulo aumenta man mano che la cella si raffredda, quindi la tensione peggiore dell'array si verifica nella mattina serena più fredda, non in base alla targa nominale. Se si imposta Up troppo alto, la sovratensione passa all'apparecchiatura il cui isolamento non è in grado di resistervi. Laddove In e Imax vengono confusi, questa guida su classificazioni Imax vs In chiarisce la distinzione tra ripetitivo e singolo impulso.
Selezione specifica per l'applicazione
FV solare
Il fotovoltaico è l'unica delle quattro applicazioni interamente coperta dalle norme IEC 61643-31 e 61643-32. I dispositivi sono solitamente di Tipo 2, montati nel scatola di giunzione DC e all'ingresso DC dell'inverter per limitare le sovratensioni indotte e di manovra. Laddove il sito sia dotato di un sistema di protezione contro i fulmini esterno o sia esposto a fulminazioni dirette — specialmente per impianti montati a terra — è richiesto un dispositivo di Tipo 1 (o combinato Tipo 1+2) sul lato DC. Due decisioni sono specifiche per il fotovoltaico: il dimensionamento della Ucpv in base all'aumento di tensione a basse temperature descritto sopra, e la scelta della modalità di connessione in base alla messa a terra dell'array. Un array flottante (IT) richiede solitamente un dispositivo tripolare (+ / − / PE) in configurazione a Y; un sistema con un polo a terra utilizza spesso due poli (attivo / PE), ma solo dopo aver verificato gli scenari di guasto. Un flusso di lavoro completo per il lato fotovoltaico è illustrato nella guida VIOX su come scegliere l'SPD corretto per un impianto solare.
EV charging
Un caricabatterie rapido DC è un ambiente misto: un'alimentazione AC, un bus di uscita DC ad alta tensione, linee di comunicazione e di misurazione, il tutto in un involucro esterno esposto a fulmini e disturbi di rete. La protezione è quindi stratificata, non a punto singolo. L'ingresso AC richiede un SPD AC di Tipo 1 o Tipo 2; il bus di uscita DC richiede un SPD DC dimensionato per la tensione del caricabatterie (comunemente fino a ~1000 V); e le linee di comunicazione richiedono un SPD per segnali adatto all'interfaccia specifica. La protezione DC per EV è qualificata secondo la norma IEC 61643-11, non la 61643-31: il bus DC del caricabatterie non è un generatore fotovoltaico. Lo schema combinato di protezione contro le sovratensioni e fusibili per queste unità è dettagliato nel Guida alla protezione per caricabatterie rapidi DC.
BESS (sistema di accumulo di energia a batteria)
È qui che il limite normativo diventa più critico. Poiché la norma IEC 61643-31 esclude esplicitamente l'accumulo di energia, un SPD DC per BESS è qualificato secondo la IEC 61643-11. La differenza tecnica non è burocratica: un banco batterie è una sorgente a bassa impedenza e alta energia con una corrente di cortocircuito presunta molto elevata, mentre un impianto fotovoltaico è limitato in corrente. Un SPD DC su un bus di batteria deve quindi avere un'adeguata capacità di interruzione della corrente susseguente e un dispositivo di sovracorrente di backup correttamente dimensionato, altrimenti un guasto che inizia come un evento di sovratensione può degenerare. Specificare la tenuta al cortocircuito e il fusibile di backup raccomandato dalla scheda tecnica del dispositivo; non dare per scontato che un componente classificato per il fotovoltaico sia adatto a un armadio batterie da 1500 V. Per la protezione coordinata lato DC, AC e segnale di un sistema di accumulo, consultare la specifica Guida alla selezione della protezione contro le sovratensioni per BESS.
DC industriale e per telecomunicazioni
La DC industriale comprende sistemi di controllo, azionamenti DC, rack PLC e busbar per telecomunicazioni come -48 V, oltre a tensioni di controllo DC più elevate da 110 V e 220 V. Questi sono regolati dalla norma IEC 61643-11. L'errore ricorrente è abbinare l'SPD a un'etichetta generica “DC” anziché alla tensione effettiva del bus e ai requisiti di continuità. Selezionare Uc per la specifica linea, utilizzare il Tipo 2 per la normale distribuzione interna e passare al Tipo 1 solo dove la linea è esposta all'energia di fulminazione diretta.
| Applicazione | Tensione DC massima | Norma di riferimento | Tipo di SPD tipico | Principale preoccupazione ingegneristica |
|---|---|---|---|---|
| FV solare | 1000–1500 V | IEC 61643-31 + -32 | Tipo 2; Tipo 1+2 con LPS | Ucpv rispetto all'aumento della Voc a bassa temperatura; modalità di connessione; estinzione dell'arco in CC |
| Ricarica veicoli elettrici (CC fast) | fino a ~1000 V | IEC 61643-11 | Tipo 2 in DC; Tipo 1/2 in AC | Protezione stratificata AC + DC + segnale; esposizione esterna |
| BESS (Sistema di accumulo a batteria) | fino a 1500 V | IEC 61643-11 (non -31) | Tipo 2 / Tipo 1+2 | Elevata corrente di cortocircuito presunta; corrente susseguente e OCPD di backup |
| DC industriale / telecomunicazioni | 48–1500 V | IEC 61643-11 | Tipo 2 (Tipo 1 se esposto) | Corrispondenza tra Uc e la guida effettiva; continuità di controllo |
Installazione e coordinamento
Un dispositivo scelto correttamente può comunque avere prestazioni scarse se cablato male. Il meccanismo di perdita dominante è l'induttanza dei conduttori: durante un picco di sovratensione a rapida ascesa, anche una breve lunghezza di cavo di collegamento sviluppa una tensione induttiva sostanziale che si somma a Up. Mantenere la lunghezza totale dei cavi di collegamento il più breve possibile, idealmente inferiore a 0,5 m. Quando gli SPD sono collegati in cascata (ad esempio un Tipo 1 a monte e un Tipo 2 vicino all'inverter), mantenere almeno 10 m di cavo tra gli stadi o installare un induttore di disaccoppiamento di circa 15 µH affinché i due dispositivi si coordinino invece di entrare in conflitto.
Prevedere un dispositivo di protezione da sovracorrente di backup (fusibile o interruttore) dimensionato secondo la scheda tecnica dell'SPD, in modo che il dispositivo si scolleghi in sicurezza a fine vita, e verificare la presenza di una messa a terra a bassa impedenza, poiché una messa a terra inadeguata vanifica l'efficacia dell'SPD e aumenta il rischio di tensioni di contatto. Nei quadri di parallelo fotovoltaici, l'SPD lavora insieme ai dispositivi di isolamento e protezione da sovracorrente, non in loro sostituzione; la suddivisione di tali ruoli è definita in Spiegazione della protezione CC fotovoltaica: MCB, fusibili e SPD rispetto agli RCD, e il confine tra isolamento e interruzione nel confronto VIOX di Sezionatori CC contro interruttori automatici CC.
Manutenzione e fine vita
Un SPD CC è un componente sacrificale: ogni sovratensione che assorbe ne consuma una parte della vita utile. La maggior parte dei dispositivi di qualità è dotata di una finestra di stato visiva (verde per "funzionante", rosso per "fine vita") e molti utilizzano una cartuccia estraibile, in modo che il modulo esaurito possa essere sostituito senza ricablaggio. Ispezionare l'indicatore a intervalli regolari e sostituire la cartuccia dopo che l'indicatore segnala il guasto, dopo qualsiasi sovratensione importante o evento di fulminazione noto, oppure al termine della sua vita utile nominale. La durata operativa tipica è di circa 10-15 anni in ambienti moderati e inferiore nelle regioni ad alta frequenza di fulmini; considerare l'indicatore, non il calendario, come il fattore determinante per la sostituzione.
Domande frequenti
Posso utilizzare un SPD CA su un circuito CC?
No. Un arco in corrente continua non si auto-estingue al passaggio per lo zero, pertanto un dispositivo privo di capacità di interruzione nominale per CC può guastarsi pericolosamente. Utilizzare sempre un SPD CC dimensionato per la tensione del bus.
La norma IEC 61643-31 copre i sistemi di accumulo a batteria?
No. Si applica solo al lato CC di generatori fotovoltaici e inverter fino a 1500 V CC; i sistemi di accumulo a batteria e a condensatori sono esplicitamente esclusi, pertanto gli SPD CC per BESS sono qualificati secondo la norma generale IEC 61643-11.
Tipo 1 o Tipo 2 per il solare?
Utilizzare il Tipo 2 presso la string box e l'ingresso CC dell'inverter per sovratensioni indotte e di manovra. Aggiungere il Tipo 1 (o Tipo 1+2) in presenza di un sistema di protezione contro i fulmini esterno o in caso di rischio di fulminazione diretta. La completa Analisi comparativa tra Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 3 spiega le classi di prova alla base di ciascuno.
Come si imposta la Ucpv per un impianto fotovoltaico?
Dimensionarla al di sopra della tensione a circuito aperto peggiore dell'impianto. Poiché la Voc dei moduli aumenta al diminuire della temperatura, utilizzare la temperatura ambiente minima prevista; una convenzione comune è Ucpv ≥ 1,2 × Voc dell'impianto in condizioni STC.
SPD CC bipolare o tripolare?
Dipende dalla messa a terra. Gli impianti isolati (IT) richiedono solitamente una configurazione tripolare (+ / − / PE); i sistemi con un polo a terra utilizzano spesso una configurazione bipolare, previa verifica del comportamento in caso di guasto.
Per le specifiche degli SPD CC, le opzioni Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 1+2, e la documentazione IEC/UL per applicazioni FV, EV, BESS e industriali in CC, consultare la Gamma di dispositivi di protezione contro le sovratensioni CC e CA VIOX.
