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Come scegliere il giusto dispositivo di protezione dalle sovratensioni (SPD) per applicazioni industriali e rinnovabili
Aggiornato: - Tempo di lettura: ~18-22 min
Selezione del corretto Dispositivo di protezione dalle sovratensioni (SPD) è tra le decisioni a più alto ROI nella distribuzione in BT, nel fotovoltaico/ESS, nella ricarica dei veicoli elettrici e nell'automazione industriale. Questa guida raccoglie guidato dagli standard criteri (IEC/UL/NEC), regole di posizionamento e suggerimenti per la distinta base sia per AC e DC sistemi. Vedere il tabelle di riferimento e fonti alla fine.
1) Perché l'investimento in SPD si ripaga da solo
I tempi di inattività non pianificati spesso costano USD 1-5M/ora; i casi gravi si avvicinano USD 300k/min. Le sovratensioni dovute a fulmini/interruttori sono prevedibile e ingegnerizzabileGli SPD coordinati bloccano gli impulsi ad alta energia e proteggono i PLC/VFD/IT.
Le reti di rilevamento statunitensi registrano da decine a centinaia di milioni di eventi di fulmini all'anno; la Florida è spesso in testa per densità, il Texas per totale. Usare le specifiche geografiche (vedi §8) per giustificare l'aumento della densità di fulmini. Iimp/In valutazioni.
2) Paesaggio delle norme (IEC / UL / NEC)
La norma IEC 61643 definisce le prestazioni e le forme d'onda; la norma UL 1449 elenca la sicurezza e la conformità per il Nord America; l'articolo 242 della norma NEC 2023 ne impone l'uso in diversi contesti.
IEC 61643
Tipo 1: 10/350 μs (Iimp) - Tipo 2: 8/20 μs (In/Imax) - Tipo 3: Combinazione (Uoc). PV/DC: IEC 61643-31 ≤1500 VCC.
UL 1449
Elenco UL per SPD collegati in modo permanente; 4a Ed. (2016) marcature raffinate.
NEC 2023
Articolo 242 regola la protezione da sovratensione. Seguire le regole di inserimento e posizionamento.
3) Decodifica del "tipo" di SPD rispetto alle forme d'onda di prova
Scegliere il tipo in base all'esposizione e alla gerarchia delle schede; coordinare la tensione residua (Su) tra le varie fasi.
Tipo 1 (Classe I)
Test: 10/350 μs (Iimp). Installare a ingresso di servizio quando LPS/sovrappeso.
Tipo 2 (Classe II)
Test: 8/20 μs (In/Imax). Protezione della dorsale delle sotto-schede.
Tipo 3 (Classe III)
Test: Combinazione (Uoc). Vicino a carichi sensibili (PLC, VFD, IT).
Ibrido Tipo 1+2 = alta energia + basso residuo. Selezionatori: AC - DC
4) AC vs. DC (PV/ESS) - stessa fisica, vincoli diversi
Lato CA (IEC 61643-11 / UL 1449): scegliere il Tipo 1/2/3 in base all'esposizione e alla gerarchia delle schede, quindi la dimensione Uc, In/Imax, Su. Lato DC (IEC 61643-31): Campi fotovoltaici fino a 1500 VCC con diversi comportamenti in termini di temperatura, polarità e corrente inversa rispetto ai dispositivi in corrente alternata.
Nella moderna BOS, Scatole combinatore FV spesso integrano SPD DC tipo 2, fusibili gPV e sezionatori DC, riducendo il numero di armadi e semplificando il lavoro sul campo.
5) La "ricetta" della protezione a strati
- Ingresso di servizio / MSB: Tipo 1 (o 1+2) con sufficiente Iimp; il percorso terrestre più breve e rettilineo.
- Schede di sottodistribuzione: Tipo 2 dimensionati per il livello di guasto del ramo e per la lunghezza dei cavi; coordinati Su con lo stadio MSB.
- Endpoint sensibili: Tipo 3 in prossimità degli ingressi dei dispositivi (PLC, VFD, server).
Questa cascata rispecchia i principi di selezione e montaggio della norma IEC 60364-5-53 e le comuni indicazioni dei produttori.
6) Lista di controllo delle dimensioni in nove punti
- Codici/Elenco: UL 1449 (USA), NEC 242.
- Tipo: 1 / 1+2 / 2 / 3 per esposizione e livello del consiglio.
- Uc (MCOV): > tensione continua nel caso peggiore.
- Iimp / In / Imax: corrispondere alla densità dei fulmini e ai punti di ingresso.
- Su: coordinamento fase per fase.
- Polo e messa a terra: Esigenze di TN/TT/IT e N-PE.
- SCCR / Backup OCPD: corrispondere alle tabelle delle correnti di guasto e dei fornitori.
- Ambiente: Altitudine, IP/NEMA, lunghezza del cavo.
- Manutenzione: Moduli sostituibili, finestra di stato, allarme remoto.
7) Dove installare gli SPD nei progetti FV, ESS e EV
- Array fotovoltaici: A scatole combinatore e Ingressi CC dell'inverter; le corse lunghe o i terreni esposti possono richiedere entrambi.
- ESS: Bus CC vicino all'interfaccia batteria/DC-DC, più lato CA sul PCS.
- Ricarica dei veicoli elettrici: Tipo 1 o 1+2 al servizio (se LPS/sovrappeso), tipo 2 alla distribuzione, tipo 3 vicino ai terminali.
Vedi anche: Scatole combinatore FV - Fusibili gPV ad alta tensione
8) Istantanea dei dati: l'esposizione ai fulmini e perché cambia la vostra distinta base
L'esposizione ai fulmini non è uniforme. I rapporti sui fulmini negli Stati Uniti citano regolarmente 90-240+ milioni eventi all'anno (in-cloud + CG) a seconda della metodologia. Il Texas è spesso in testa ai conteggi totali, mentre la Florida è spesso in testa alla densità. Per i parchi eolici e le infrastrutture alte, i conteggi di ictus per sito possono superare le migliaia.
Per la definizione del budget, utilizzare le mappe a livello di contea di NOAA/NCEI o i rapporti annuali di Vaisala/AEM per giustificare la presenza di un'analisi di rischio. Iimp/In scelte e posizionamento del sito.
9) Tabelle di riferimento rapido
Copiate queste righe nelle vostre schede tecniche come punto di partenza.
| Tipo SPD | Test primario | Valutazioni chiave | Posizione tipica | Note |
|---|---|---|---|---|
| Tipo 1 | 10/350 μs (Iimp) | Uc, Iimp, Su | Ingresso di servizio / MSB | Corrente continua parziale da fulmine |
| Tipo 2 | 8/20 μs (In/Imax) | Uc, In/Imax, Su | Schede di sottodistribuzione | Protezione della dorsale |
| Tipo 3 | Combinazione (Uoc) | Uc, Uoc, Up | Vicino a carichi sensibili | Morsetto finale, coordinato con il tipo 2 |
Immagine opzionale: diagramma delle forme d'onda di test / linea di prodotti
Tabella B - Dati minimi da specificare in ogni SPD
| Parametro | Perché è importante | Insidie tipiche |
|---|---|---|
| Uc (MCOV) | Deve superare il caso peggiore di tensione continua del sistema | Scelta troppo vicina al valore nominale → stress termico e fine vita anticipata |
| Iimp / In / Imax | Corrispondenza con l'ambiente di sovratensione previsto | Sottovalutazione all'ingresso del servizio; uso improprio del Tipo 2 quando è necessario il Tipo 1 |
| Su | Determina le sollecitazioni residue su isolamento/elettronica | Non coordinare l'Up tra le varie fasi → protezione di pari livello |
| SCCR / Backup OCPD | Sicurezza e selettività | Mancata corrispondenza con la corrente di guasto disponibile; ignorare le tabelle dei dispositivi di backup del fornitore |
| Conteggio dei poli e messa a terra | Set di moduli di modifica TN/TT/IT ed esigenze N-PE | Mancanza di N-PE su TT; cablaggio errato di PEN in TN-C |
| Ambiente e montaggio | Temperatura, altitudine, IP/NEMA; percorso dei conduttori | Lunghezze dei conduttori; le curve strette aumentano l'induttanza (aumentano il terminale Up) |
10) Regole di messa a terra, cablaggio e lunghezza dei conduttori
- Mantenere i conduttori SPD-terra e SPD-bus breve, dritto, adiacente.
- Evitate le asole o le belle vestizioni dei cavi che aumentano l'induttanza al momento delle sovratensioni.
- Utilizzare le specifiche di coppia del fornitore; le terminazioni allentate si surriscaldano in caso di picchi ripetuti.
- Sui sistemi TT, assicurarsi che i moduli N-PE e i collegamenti siano corretti in modo che le correnti ritornino attraverso il percorso previsto.
Riferimento alle regole di erezione globale: IEC 60364-5-53.
11) Collocamento con innesco NEC (Stati Uniti)
Il 2023 NEC (NFPA 70) rafforza l'uso degli SPD in diversi contesti (ad esempio, protezione dell'intera casa nelle abitazioni, controllori di pompe antincendio). Articolo 242 copre la protezione contro le sovratensioni per le installazioni ≤1000 V; abbinare sempre UL 1449 elenco e posizione di installazione.
Riferimento: NFPA 70 (NEC) - Spiegazione della UL 1449
12) Esempi di lavoro: scegliere rapidamente le valutazioni
A. Impianto industriale, servizio aereo, senza LPS, 400/230 VAC TN-S
- MSB: Tipo 1 (o 1+2) con Iimp ≈ 12,5-25 kA/polo tipico; Uc ≥ 275 VCA (L-N) per sistemi a 230 V; Su ≤ 1,5 kV.
- Sub-DB: Tipo 2 a In 20-40 kA, Imax 40-80 kA per rischio di scheda.
- Punti finali: Tipo 3 ai carichi VFD/PLC/IT.
B. Campo fotovoltaico 1000 VDC (stringhe lunghe, montaggio a terra)
- Scatola combinatore: SPD DC tipo 2 secondo la norma IEC 61643-31; Uc ≥ Vstringa(max a Tmin); coordinata Su con inverter.
- Ingresso CC dell'inverter: Aggiungere un secondo stadio CC se le distanze dei cavi sono elevate o il terreno è molto esposto.
C. Piazza di ricarica per veicoli elettrici (commerciale)
- Servizio: Tipo 1 o 1+2 dove esiste LPS/sovrappeso.
- Distribuzione: Tipo 2 gruppi di caricabatterie per l'alimentazione; Tipo 3 vicino agli ingressi del caricabatterie (se supportato).
13) FAQ (risposte di livello ingegneristico)
È sempre necessario il tipo 1 all'ingresso del servizio?
Se si dispone di un LPS esterno o di un servizio aereo, il tipo 1 (o 1+2) è l'approccio standard per gestire la corrente di fulmine diretta parziale. Gli edifici alimentati in sotterraneo a volte giustificano un robusto Tipo 2, ma occorre valutare il rischio (densità dei fulmini, vie d'ingresso) e le norme locali.
In cosa differiscono le denominazioni UL e IEC?
La norma UL 1449 è uno standard di sicurezza; la norma IEC 61643 definisce i test e i tipi di prestazioni. Molte schede tecniche riportano entrambi. La 4a edizione della UL 1449 (2016) ha standardizzato nuove marcature e requisiti.
Per quali numeri devo ottimizzare?
In ordine: Uc (destra, non bassa) → Iimp/In/Imax (abbastanza) → Su (il più basso possibile) → SCCR/backup → caratteristiche di manutenzione.
E se oggi posso permettermi solo uno stadio?
Mettere il budget al ingresso di servizio (Tipo 1 o 1+2), per poi aggiungere il Tipo 2/3 in un secondo momento. In questo modo si impedisce all'energia catastrofica di penetrare in profondità nella struttura.
In che modo la geografia cambia le mie specifiche?
I corridoi ad alta densità (ad esempio, Costa del Golfo, Florida centrale) giustificano una maggiore Iimp/In e più stretto Su obiettivi. Utilizzare le mappe NCEI/Vaisala/AEM per quantificare le densità di flash di base per le discussioni con i giudici competenti o le assicurazioni.
Crediti e fonti
- IEC 61643-11 / 61643-31 (ufficiale): Negozio web IEC
- UL 1449 4a Ed: Intertek - Schneider PDF
- NEC 2023 (articolo 242): NFPA
