FAQ - La protezione da sovratensione negli impianti fotovoltaici

Cosa sono le sovratensioni, da cosa derivano, quali sono i rischi associati, quali sono le protezioni a nostra disposizione e che valutazioni andrebbero fatte per gli impianti fotovoltaici realizzati su un edificio.

Fulmini e impulsi elettromagnetici

Quando si pensa ai danni provocati un fulmine ci si immagina che questo colpisca un edificio e, molto spesso, provochi danni decisamente rilevanti non solo agli impianti elettrici. Qui parleremo di sovratensione e una delle fonti più comuni di sovratensione sono sicuramente i fulmini, ma non è necessario che un fulmine colpisca un edificio per far sì che gli impianti al suo interno subiscano dei danni.

Infatti, molto più spesso, bisogna considerare tutti i modi in cui i fulmini possono indurre sovratensioni, comprese quelle elettrostatiche e per induzione magnetica.

Fulminazione diretta

In questi casi, i peggiori, l’unica salvezza è un combinato di protezioni esterne (parafulmini, cavi di messa a terra, dispositivi di cattura e conduttori, nonché il relativo sistema di terra) che attirano i fulmini e li indirizzano verso terra e di SPD (Surge Device Protection) che assorbono l'energia residua.

Purtroppo però non finisce qui e il fulmine che colpisce l’edificio crea un aumento del potenziale di terra perché, da un parafulmine, la corrente scorre verso terra facendo, appunto, aumentare il potenziale di quest'ultima. La situazione che viene a crearsi induce delle sovratensioni fra il terreno e i conduttori esterni, essendosi appunto creata una notevole differenza di potenziale.

Induzione elettrostatica

La definizione che ne dà Wikipedia è la seguente:

"L'induzione elettrostatica è il fenomeno per cui la carica elettrica all'interno di un oggetto viene ri-distribuita a causa della presenza di un altro oggetto carico nelle vicinanze. A causa dell'induzione un oggetto elettricamente carico posto nelle vicinanze di un corpo conduttore neutro provoca il manifestarsi di carica su quest'ultimo, senza che avvenga contatto tra i due, poiché la distribuzione di carica che vi era inizialmente nell'oggetto neutro non è più uniforme.”

Nel nostro caso specifico le nuvole temporalesche contengono cariche negative nelle loro sezioni inferiori. Queste elevate cariche negative possono indurre elevate cariche positive all'interno dei cavi nelle vicinanze, in particolare sulle linee elettriche e cavi di comunicazione.

Durante la scarica (fulmine), la carica positiva accumulata nel cavo viene rilasciata, provocando un'impennata della tensione sul cavo in entrambe le direzioni.

Induzione elettromagnetica

Come già visto nell’immagine sopra, una scarica tra le nuvole e il suolo genera un'onda magnetica molto rilevante. Quando l'onda magnetica raggiunge le linee elettriche o i cavi di comunicazione e induce su questi un picco di tensione provocando sui dispositivi posti a valle dei guasti da sovratensione.

Come proteggersi, i Surge Device Protection o SPD

Per evitare danni da sovratensione bisogna fare in modo che i picchi di tensione si scarichino verso terra. Per far sì che questo avvenga è necessario utilizzare dei dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) oltre che avere un collegamento a terra su tutte le superfici conduttrici.

In genere si tende a proteggere le linee elettriche in ingresso nell’edificio, le linee di comunicazione, come i cavi Ethernet, RS485 o le linee telefoniche.

Secondo lo standard IEC 62109 (Safety of power converters for use in photovoltaic power systems), le apparecchiature devono resistere alla categoria di sovratensione III in AC (contrassegnata come OVC III), mentre in CC queste devono resistere alla categoria OVC II.

I valori nominali di tensione in riferimento alla resistenza agli impulsi per il circuito di rete sono assegnati in base all'OVC (Overvoltage categories in power supply systems) di cui sopra e alla tensione del sistema di rete, tipicamente > 4kV.

L'inverter è spesso prodotto con una protezione interna da sovratensione sui lati AC e DC. I varistori nell'inverter sono collegati tra i cavi di fase e neutro, tra i cavi neutro e PE e tra i terminali + e - .

Detto questo, però, se è soliti chiedersi se è necessario o meno integrare la protezione da sovratensione anche esternamente o quanto presente nell’inverter è sufficiente.

SPD esterni SI o NO?

La risposta è, ovviamente, dipende.

Bisogna tenere presente che la protezione da sovratensioni ci “protegge” da due tipi di danno. La perdita di vite umane e il danno economico.

La prima è, per definizione, non derogabile mentre la seconda è opzionale ed è a discrezione del cliente.

Per poter quantificare questi rischi è necessario svolgere un’analisi del rischio dovuta al fulmine (CEI EN 62305). Per effettuare la stima del rischio di fulminazione dovuto a tutti i possibili effetti del fulmine su una struttura, occorre far riferimento alla norma CEI EN 62305-2 (CEI 81-10/2). Il rischio viene considerato come una somma di componenti. Il valore di ogni componente viene calcolato con la seguente espressione:

Rx = Nx · Px · Lx

dove:

• Nx è il numero annuo di fulmini che interessano la struttura o le linee entranti e dipende dalla densità di fulmini al suolo (Ng) e dalle caratteristiche geometriche, ambientali e di installazione della struttura e delle linee;
• Px è la probabilità di danno e dipende dalle caratteristiche della struttura da proteggere, dalle caratteristiche delle linee connesse e dalle misure di protezione adottate;
• Lx è la perdita conseguente al danno e dipende dall’uso a cui la struttura è destinata, dalla presenza di persone, dal tipo di servizio pubblico, dal valore dei beni danneggiati e dalle misure di protezione adottate per limitare l’ammontare della perdita.

Quando si parla di impianti fotovoltaici posti su un edificio, questa valutazione viene fatta sull’edificio a tutto tondo e ha poco a che vedere con l’impianto fotovoltaico in sé. In genere l’impianto elettrico dell’edificio è molto più esteso e molto più esposto a rischi dovuti a sovratensione del solo impianto fotovoltaico che, in ogni caso, andrà ad aggiungersi all’impianto elettrico (aumentandone la complessità).

Tutto questo per dire che valutare il solo impianto fotovoltaico in riferimento al rischio dovuto alle sovratensioni ha oggettivamente poco senso e sarebbe consigliabile un approccio più olistico a questo genere di problematiche soprattutto ai rischi che posso comportare la perdita di vite umane.

Approfondimento a cura di Zamboni Daniele
Responsabile Tecnico Div. Fotovoltaico - LumenWatt