Proteggere gli impianti fotovoltaici dalle sovratensioni è l’unico modo per prevenire la mancanza di produzione e il conseguente impatto sulla generazione e l’iniezione nella rete elettrica.

Negli ultimi anni l’energia fotovoltaica installata è cresciuta in modo significativo e i sistemi fotovoltaici vengono installati in siti esposti, dunque la probabilità di impatto da fulmine e, la conseguente comparsa di sovratensioni, è quindi elevata. Se l’inverter di un impianto FV è danneggiato, i costi per il reinvestimento possono essere elevati. Con il termine sovratensione si intende un aumento, al di sopra dei valori stabiliti come massimo, della tensione elettrica tra due punti di un circuito o impianto elettrico. Nella maggior parte dei casi possono causare seri problemi alle apparecchiature collegate alla linea che vanno dall’invecchiamento precoce all’incendio fino alla distruzione delle stesse.

Sovratensioni elettriche

Qualsiasi conduttore metallico può diventare punto d’ingresso delle sovratensioni negli impianti. Le linee della rete di distribuzione dell’energia elettrica e della rete telefonica, presenti negli impianti elettrici, sono le più soggette a sovratensioni, poiché effettuano lunghi percorsi aerei all’esterno degli edifici e formano una rete di interconnessione tra tutte le strutture.

È possibile suddividere le sovratensioni elettriche in due grandi gruppi in base alla loro durata:

1. sovratensioni permanenti;

2. sovratensioni transitorie.

Le sovratensioni permanenti

Le sovratensioni permanenti sono aumenti di tensione superiori al 10% della tensione nominale e di durata indeterminata, generalmente dovuti a scompensi di fase, solitamente causati dalla rottura del neutro. L’alimentazione di apparecchiature con una tensione superiore a quella per cui sono state progettate può generare:

• surriscaldamento delle apparec-chiature;
• durata ridotta;
• incendi;
• distruzione dell’attrezzatura;
• interruzione del servizio.

Ecco perché è necessario sapere a quale potenziale devono essere collegate le apparecchiature e qual è l’intervallo a cui possono lavorare in maniera soddisfacente, in modo da proteggerle dalle sovratensioni a cui potrebbero essere sottoposte.

Le sovratensioni transitorie

Le sovratensioni transitorie sono picchi di tensione che possono raggiungere valori di decine di kilo-volt e una durata dell’ordine di decine di microsecondi fino a diversi millisecondi e possono essere causati dall’impatto di fulmini o altri fenomeni atmosferici (la causa principale) o dalla commutazione di rete.

Sovratensioni e fenomeni atmosferici

Le sovratensioni prodotte dai fenomeni atmosferici raggiungono l’impianto in tre modi fondamentali:

1. Sovratensioni condotte: i fulmini possono colpire direttamente le linee aeree con l’onda di tensione ripida che si propaga per diversi chilometri, raggiunge il consumatore e scivola a terra attraverso le loro apparecchiature provocandone la rottura o la distruzione.
2. Sovratensione indotta: la radiazione emessa dall’impatto del fulmine su un oggetto (palo, albero, para-fulmine o altro) vicino alla linea elettrica o di trasmissione dati, induce in queste correnti transitorie trasmettendole all’interno degli impianti. Ciò può causare danni o la distruzione delle appafotovoltaico recchiature ad esse collegate.
3. Sovratensioni prodotte dall’induzione elettromagnetica: scariche di fulmini, anche quando si verificano lontano dalle strutture, e anche scariche tra le nuvole, possono produrre sovratensioni indotte elettromagneticamente con effetti significativi. Queste scariche si comportano come un emettitore di radiazioni elettromagnetiche il cui spettro si estende da una frequenza molto bassa fino a 1000 MHz ed è causa di disturbi alle trasmissioni radioelettriche. Le scariche atmosferiche, invece, determinano un’ampiezza massima del campo elettrico che può raggiungere i 300 V/cm/kA a una distanza di 30 m. Se il valore di questo campo supera il gradiente dirompente dell’aria (3–5 kV/cm), si verificherà un arco di rottura, come ad esempio: tra due conduttori, uno riferito a massa e l’altro isolato.

Sovratensioni e impianti fotovoltaici: danni e perdite

Danni all’impianto elettrico e/o alle apparecchiature elettroniche di un impianto fotovoltaico dovuti a sovratensioni possono essere causati da impulsi elettromagnetici da fulmine o da alcuni tipi di operazioni nell’impianto come: guasti, apertura o chiusura di interruttori, fenomeni di risonanza, ecc.

Le sovratensioni dovute agli impulsi elettromagnetici dei fulmini sono quelle che si verificano più frequentemente negli impianti fotovoltaici. Un fulmine non solo può causare il guasto dei suoi sistemi elettronici ed elettrici, ma può anche causare danni fisici alle persone.Questo fenomeno causa perdite di ogni tipo:

• di vite umane;
• di servizio al pubblico;
• del patrimonio culturale;
• di valore economico.

Classificazione dei danni da fulmine

Per quanto riguarda l’origine, i danni da fulmine possono essere classificati in:

• fulmine diretto sull’impianto fotovoltaico;
• impatto di fulmini in prossimità dell’impianto fotovoltaico;
• impatto dei fulmini sui servizi collegati all’impianto;
• impatto di fulmini in prossimità dei servizi collegati all’impianto.

È necessario tener conto dei danni provocati anche quando i fulmini si verificano all’esterno dell’impianto poiché questi possono generare costi elevati dovuti alla rottura di componenti elettrici ed elettronici; ciò dipende fortemente dai sistemi di protezione e da un buon sistema di messa a terra.

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni

Soluzione necessaria è l’utilizzo di opportuni dispositivi di protezione contro le sovratensioni SPD per mitigare i rischi di danneggiamento, tutelando così l’investimento effettuato nell’impianto fotovoltaico. La scelta e l’installazione dell’SPD adeguato dipenderà da diversi fattori come:

• numero di fulmini a terra all’anno, NG e al km2;
• caratteristiche del sistema di alimentazione in bassa tensione (linee aeree o interrate) e delle apparecchiature da proteggere;
• grado di isolamento delle apparecchiature a fronte di sovratensioni;
• se esiste o meno un impianto parafulmini.

Dal punto di vista del grado di isolamento delle apparecchiature installate nelle linee in corrente continua, l’SPD deve avere un livello di protezione inferiore al grado di isolamento delle apparecchiature.

Protezione contro le sovratensioni causate da fulmini indiretti

Nel caso di impianti installati dove la probabilità di incidenza dei fulmini diretti è bassa, può essere installata solo la protezione contro le sovratensioni indotte dalle scariche che si verificano in prossimità di moduli fotovoltaici e linee elettriche. La posizione e il tipo di SPD installato nell’impianto fotovoltaico, per la protezione contro le sovratensioni causate da fulmini indiretti, sono mostrati in figura 1.

Si considera che l’edificio non abbia l’impianto parafulmini. L’SPD 2 mostrato in figura 1 non è necessario se la distanza tra il quadro di distribuzione del circuito e l’inverter è inferiore a 10 m. L’SPD 4 invece non è necessario se la distanza tra i moduli fotovoltaici e l’inverter è inferiore a 10 m.

La figura 2 che segue, illustra l’installazione dell’SPD lato CC e le lunghezze dei cavi di collegamento, L1 e L2, la cui somma delle lunghezze (L1 + L2) deve essere inferiore a 0,5 m.

Conclusioni

La protezione dalle sovratensioni negli impianti fotovoltaici è di massima importanza perché sono strutture molto costose che richiedono continuità di servizio. Per fare una protezione sicura ed efficace le normative devono essere applicate rigorosamente e bisogna selezionare le protezioni adeguate che tutelino adeguatamente gli impianti FV.