Guida tecnica del dispositivo di protezione dalle sovratensioni CC

Nelle moderne infrastrutture elettriche, i sistemi a corrente continua (DC) stanno diventando sempre più diffusi, dagli impianti solari fotovoltaici ai sistemi di accumulo dell'energia a batteria, dalle reti di telecomunicazione alle stazioni di ricarica dei veicoli elettrici. Tuttavia, questi sistemi a corrente continua devono affrontare una vulnerabilità critica: le sovratensioni transitorie causate da fulmini, operazioni di commutazione e disturbi della rete. Un singolo evento di sovratensione non protetto può distruggere i dispositivi elettronici sensibili, bloccare le operazioni e causare costosi tempi di inattività. È qui che i dispositivi di protezione dalle sovratensioni DC (SPD DC) diventano protezioni essenziali per l'infrastruttura elettrica.

Questa guida completa esplora tutto ciò che c'è da sapere sui dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente continua, dai principi di funzionamento fondamentali e dai vari tipi alle applicazioni reali e ai criteri di selezione. Sia che stiate progettando un impianto solare, sia che stiate specificando le apparecchiature per un data center o aggiornando i sistemi di controllo industriali, la comprensione degli SPD CC vi aiuterà a prendere decisioni informate che proteggano il vostro investimento e garantiscano l'affidabilità del sistema.

Che cos'è un Dispositivo di protezione dalle sovratensioni CC?

Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni DC (DC SPD) è un componente di protezione progettato per limitare le sovratensioni transitorie e deviare le correnti di sovratensione nei sistemi elettrici in corrente continua. A differenza delle loro controparti in corrente alternata, gli SPD in corrente continua sono progettati specificamente per gestire le caratteristiche uniche dei circuiti in corrente continua, tra cui l'assenza di incroci naturali di corrente zero e il potenziale di correnti di guasto prolungate.

La funzione principale di un SPD CC è quella di rilevare le sovratensioni che superano i livelli operativi di sicurezza e fornire un percorso a bassa impedenza verso terra, allontanando efficacemente l'energia in eccesso dalle apparecchiature sensibili. Questi dispositivi funzionano in microsecondi e rispondono più rapidamente dei dispositivi di protezione del circuito convenzionali, evitando così di danneggiare i carichi collegati.

I dispositivi di protezione dalle sovratensioni in c.c. differiscono fondamentalmente dai dispositivi di protezione dalle sovratensioni in c.a. per diversi aspetti critici. I sistemi in c.c. non hanno l'attraversamento periodico dello zero di tensione che si verifica nei sistemi in c.a., il che significa che una volta che un elemento di protezione conduce in un circuito in c.c., deve interrompere attivamente la corrente successiva, anziché attendere l'azzeramento naturale della corrente. Questo requisito richiede componenti specializzati e approcci progettuali unici per le applicazioni in corrente continua.

Parametri tecnici chiave

Funzione del dispositivo di protezione dalle sovratensioni CC

La funzione fondamentale di un dispositivo di protezione dalle sovratensioni CC è triplice: rilevamento, deviazione e dissipazione delle sovratensioni transitorie. Quando si verifica un evento di sovratensione - che sia dovuto a un fulmine nelle vicinanze, alla commutazione di un carico induttivo o a una scarica elettrostatica - l'SPD deve riconoscere immediatamente la minaccia, creare un percorso a bassa resistenza verso terra e dissipare in modo sicuro l'energia della sovratensione senza consentire la propagazione dei danni alle apparecchiature collegate.

Perché è necessaria questa protezione? I sistemi a corrente continua, in particolare quelli che coinvolgono fonti di energia rinnovabile, batterie e sistemi di controllo elettronico, contengono componenti semiconduttori sensibili che operano entro tolleranze di tensione ristrette. Un picco di tensione di appena 20-30% al di sopra dei livelli nominali può causare un guasto immediato all'elettronica di potenza, ai microprocessori e alle interfacce di comunicazione. Nelle installazioni solari, ad esempio, gli inverter che contengono complessi circuiti di commutazione basati su IGBT sono particolarmente vulnerabili ai guasti indotti dalle sovratensioni, che possono costare migliaia di dollari per essere riparati e causare perdite significative nella produzione di energia.

Gli SPD DC risolvono contemporaneamente diversi problemi critici. Proteggono dai fulmini diretti fornendo un percorso di corrente preferenziale con un'impedenza molto inferiore a quella delle apparecchiature protette. Attenuano le sovratensioni indotte dall'attività di un fulmine nelle vicinanze attraverso l'accoppiamento magnetico e capacitivo. Sopprimono i transitori di commutazione generati da carichi induttivi come motori, contattori e trasformatori. Inoltre, proteggono dalle sovracorrenti provenienti dalla rete elettrica che possono accoppiarsi ai sistemi CC attraverso le apparecchiature di conversione dell'alimentazione.

La giustificazione economica della protezione dalle sovratensioni CC è convincente. Il costo di un SPD correttamente specificato rappresenta in genere 1-3% del valore totale del sistema, ma protegge da guasti che potrebbero distruggere 30-50% di componenti del sistema. Nelle applicazioni mission-critical, come le infrastrutture di telecomunicazione o i sistemi di alimentazione di backup degli ospedali, i costi indiretti dei tempi di inattività - perdita di fatturato, riparazioni di emergenza e danni alla reputazione - superano di gran lunga i costi diretti di sostituzione delle apparecchiature.

Dispositivo di protezione dalle sovracorrenti CC vs. dispositivo di protezione dalle sovracorrenti CA

Sebbene i dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente continua e in corrente alternata abbiano lo scopo fondamentale di proteggere i sistemi elettrici da sovratensioni transitorie, la loro progettazione, il funzionamento e l'applicazione differiscono in modo significativo a causa delle caratteristiche intrinseche dei sistemi di alimentazione che proteggono.

La distinzione più critica sta nella capacità di interruzione della corrente. I sistemi a corrente alternata passano naturalmente a tensione e corrente zero due volte per ciclo (100 o 120 volte al secondo a 50/60 Hz), il che consente agli elementi di protezione di estinguere gli archi e ripristinarsi automaticamente. I sistemi in c.c. mantengono polarità e tensione costanti, il che significa che una volta che un elemento di protezione conduce, deve sopprimere attivamente la corrente successiva. Questo requisito richiede l'uso di componenti specializzati negli SPD in c.c., come sezionatori termici, elementi di impedenza in serie o circuiti attivi di limitazione della corrente.

Anche i valori di tensione differiscono in modo sostanziale. I dispositivi di protezione contro le sovratensioni in c.a. sono classificati in base ai valori di tensione RMS, mentre gli SPD in c.c. devono tenere conto del livello continuo di tensione in c.c. senza il beneficio di incroci periodici con lo zero. Un SPD a 230V in CA sperimenta tensioni di picco di circa 325V, ma un sistema a 230V in CC mantiene i 230V in modo continuo, sottoponendo i componenti di protezione a sollecitazioni diverse.

Anche le considerazioni sull'installazione variano. Gli SPD AC si collegano tipicamente tra i conduttori di fase e la terra, o tra le fasi nei sistemi trifase. Gli SPD in corrente continua devono essere installati prestando attenzione alla polarità e spesso richiedono la protezione dei conduttori positivi e negativi rispetto alla terra, in particolare nei sistemi con configurazioni flottanti o bipolari, comuni negli impianti solari e nelle apparecchiature di telecomunicazione.

Anche gli standard di prova riflettono queste differenze. Gli SPD in c.a. sono valutati secondo le norme IEC 61643-11 e UL 1449, mentre gli SPD in c.c. seguono le norme IEC 61643-31 e il supplemento DC della UL 1449, che includono test specifici per la capacità di interruzione della corrente di proseguimento in c.c. e per la sollecitazione continua della tensione in c.c..

Dispositivo di protezione dalle sovratensioni CC Principio di funzionamento

Per capire come funzionano i dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente continua è necessario esaminare sia i componenti coinvolti sia la sequenza di eventi durante una condizione di sovratensione. Il principio di funzionamento può essere suddiviso in fasi distinte che si verificano nell'arco di microsecondi.

Fase 1: Stato di funzionamento normale

In condizioni operative normali, l'SPD CC presenta un'impedenza estremamente elevata (in genere >1 MΩ) tra il circuito protetto e la terra. Questo stato di alta impedenza garantisce che l'SPD non interferisca con il normale funzionamento del sistema, assorba una corrente di dispersione trascurabile (solitamente <1 mA) e non influisca sull'efficienza del sistema. L'SPD monitora continuamente la tensione sui suoi terminali, pronto a rispondere istantaneamente a qualsiasi condizione di sovratensione.

Fase 2: Rilevamento e attivazione delle sovratensioni

Quando si verifica una sovratensione transitoria, che supera il livello di protezione di tensione dell'SPD, gli elementi di protezione all'interno del dispositivo subiscono una rapida transizione dallo stato di alta impedenza a quello di bassa impedenza. Questa transizione avviene in pochi nanosecondi, in genere entro 25 ns per i moderni dispositivi basati su varistori a ossido metallico (MOV). La velocità di questa risposta è fondamentale perché gli eventi di sovratensione hanno tempi di salita estremamente rapidi, spesso raggiungendo i valori di picco in meno di 1 microsecondo.

Fase 3: deviazione della corrente di sovratensione

Una volta attivato, l'SPD crea un percorso a bassa impedenza (in genere 0,1-1 Ω) verso terra, diventando di fatto un cortocircuito per la corrente di sovratensione. In questo modo, la maggior parte dell'energia di sovratensione viene deviata dalle apparecchiature protette. L'SPD deve essere in grado di gestire l'intera corrente di sovratensione, che può variare da diversi kiloampere per i transitori di commutazione a oltre 100 kA per i fulmini diretti nelle applicazioni di Tipo 1.

Fase 4: Dissipazione di energia

Quando la corrente di sovratensione attraversa l'SPD, l'energia viene dissipata principalmente sotto forma di calore all'interno degli elementi di protezione. Gli SPD CC di alta qualità incorporano caratteristiche di gestione termica, tra cui dissipatori di calore, accoppiamento termico alle guide di montaggio e circuiti di monitoraggio della temperatura. La capacità di dissipazione dell'energia è caratterizzata dal rating energetico del dispositivo, tipicamente espresso in kilojoule (kJ), che deve superare l'energia di sovratensione prevista nell'applicazione.

Fase 5: Bloccaggio della tensione

Durante l'evento di sovratensione, l'SPD mantiene una tensione bloccata sui suoi terminali, il livello di protezione della tensione (Up). Questa tensione bloccata rappresenta la tensione massima che l'apparecchiatura protetta potrà sperimentare. Più basso è questo valore, migliore è la protezione, ma deve essere sufficientemente superiore alla normale tensione di funzionamento per evitare attivazioni indesiderate. Per un sistema a 1000 V CC, un Up tipico potrebbe essere di 1800-2200 V, fornendo un margine di protezione adeguato pur mantenendo la selettività.

Fase 6: Interruzione e ripristino della corrente

Questa fase rappresenta l'aspetto più impegnativo della protezione dalle sovratensioni CC. Dopo che la corrente di sovratensione si è attenuata, è possibile che una corrente di proseguimento continui a fluire dalla sorgente CC attraverso l'SPD ora in conduzione. A differenza dei sistemi in c.a., dove la corrente attraversa naturalmente lo zero, gli SPD in c.c. devono interrompere attivamente questa corrente di proseguimento. Le diverse tecnologie realizzano questo obiettivo attraverso vari meccanismi:

• Sezionatori termici: Elementi sensibili alla temperatura che separano fisicamente il circuito quando viene rilevato un calore eccessivo.
• Impedenza in serie: Elementi resistivi o induttivi che limitano la corrente di proseguimento a livelli di sicurezza.
• Circuiti attivi: Interruttori elettronici che rilevano il completamento della sovracorrente e aprono attivamente il circuito.
• Camere di tempra ad arco: Design specializzato che allunga e raffredda l'arco per forzare l'interruzione della corrente.

Fase 7: ritorno allo stato normale

Dopo aver interrotto con successo qualsiasi corrente successiva, l'SPD torna allo stato di monitoraggio ad alta impedenza, pronto a rispondere a successivi eventi di sovratensione. Gli SPD DC di qualità sono in grado di gestire più eventi di sovratensione nel corso della loro vita, con progetti adeguati che prevedono migliaia di operazioni prima di richiedere la sostituzione.

Tipi di dispositivi di protezione dalle sovratensioni CC

I dispositivi di protezione dalle sovratensioni in c.c. sono classificati in diverse categorie in base alla tecnologia di protezione, alla posizione dell'applicazione e alle caratteristiche delle prestazioni. La comprensione di questi tipi di dispositivi è essenziale per la scelta della protezione più adatta all'applicazione specifica.

Tipo 1: SPD DC basato su Spark Gap

La tecnologia Spark gap rappresenta una delle forme più antiche e robuste di protezione dalle sovratensioni, utilizzando un traferro controllato tra gli elettrodi che si rompe e conduce quando la tensione supera una soglia specifica.

Meccanismo di funzionamento: Il dispositivo è costituito da due o più elettrodi separati da un preciso traferro o da una camera riempita di gas. In condizioni di tensione normale, l'intercapedine funge da isolante. Quando la tensione di sovratensione raggiunge la soglia di breakdown, l'aria o il gas si ionizzano, creando un canale di plasma conduttivo che porta la corrente di sovratensione a terra. I modelli più avanzati incorporano più lacune in serie per ottenere livelli precisi di innesco della tensione e migliorare la capacità di interruzione della corrente.

Vantaggi: Gli SPD a spinterometro offrono un'eccezionale capacità di gestione delle correnti di sovratensione, spesso con valori nominali di 100 kA o superiori, che li rendono ideali per la protezione diretta dai fulmini. Presentano una corrente di dispersione praticamente nulla durante il normale funzionamento e possono sopportare ripetuti eventi di sovratensione senza subire alcun degrado. La loro modalità fail-safe si traduce tipicamente in un circuito aperto, impedendo lo spegnimento del sistema. Questa tecnologia è altamente affidabile, con una durata di vita operativa che supera i 25 anni in installazioni correttamente progettate.

Applicazioni adatte: Questi dispositivi sono utilizzati principalmente come protezione di Tipo 1 (Classe I) nei punti di ingresso dei servizi in cui è possibile una fulminazione diretta, come le scatole di giunzione dei campi solari, le gondole delle turbine eoliche e le apparecchiature delle torri di telecomunicazione. Sono essenziali nelle installazioni esposte, come gli impianti solari sui tetti, le stazioni di monitoraggio remoto e le infrastrutture di ricarica dei veicoli elettrici all'aperto.

Tipo 2: SPD DC basato su varistore all'ossido di metallo (MOV)

La tecnologia dei varistori a ossido metallico domina il mercato della protezione dalle sovratensioni grazie al suo eccellente equilibrio tra prestazioni, costi e affidabilità. I MOV sono costituiti da materiale ceramico all'ossido di zinco con caratteristiche di tensione-corrente non lineari.

Meccanismo di funzionamento: Il MOV contiene microscopici grani di ossido di zinco separati da confini di grano che fungono da giunzioni semiconduttrici. Alle normali tensioni di funzionamento, queste giunzioni presentano un'elevata resistenza. Quando viene applicata una tensione di picco, le giunzioni si rompono simultaneamente, creando molteplici percorsi di conduzione paralleli attraverso il materiale. Ne consegue una risposta altamente non lineare in cui la resistenza diminuisce drasticamente all'aumentare della tensione, bloccando efficacemente la tensione e conducendo al contempo grandi correnti.

Vantaggi: Gli SPD basati su MOV offrono tempi di risposta rapidi (in genere <25 ns), eccellenti caratteristiche di bloccaggio con livelli di protezione a bassa tensione ed elevata capacità di assorbimento dell'energia. Gestiscono bene le sovratensioni ripetitive e offrono un buon rapporto costo-prestazioni. I moderni progetti MOV incorporano sezionatori termici e indicatori di guasto per una maggiore sicurezza e visibilità della manutenzione.

Applicazioni adatte: Gli SPD DC basati su MOV sono ampiamente utilizzati negli impianti solari fotovoltaici per la protezione delle stringhe e degli inverter, nei sistemi di accumulo dell'energia delle batterie, nei pannelli di distribuzione DC dei data center, nelle stazioni di ricarica dei veicoli elettrici e negli azionamenti dei motori DC industriali. Servono efficacemente come protezione di Tipo 2 (Classe II) nei punti di distribuzione delle apparecchiature e come protezione di Tipo 3 nei terminali delle singole apparecchiature.

Tipo 3: SPD DC basato su diodo a valanga al silicio (SAD)

La tecnologia dei diodi a valanga al silicio fornisce un bloccaggio di tensione di precisione per le apparecchiature elettroniche sensibili che richiedono tolleranze di tensione ristrette.

Meccanismo di funzionamento: I dispositivi SAD utilizzano giunzioni PN appositamente progettate che funzionano in modalità di breakdown inverso. Quando la tensione inversa supera la tensione di breakdown a valanga, la regione di impoverimento subisce una ionizzazione da impatto, creando coppie elettrone-buco che conducono la corrente. Questo processo avviene in modo estremamente rapido e fornisce un bloccaggio di tensione preciso e ripetibile. Per ottenere le tensioni nominali desiderate, spesso vengono configurati più diodi in serie.

Vantaggi: Questi dispositivi offrono i più rapidi tempi di risposta disponibili (<1 ns), un bloccaggio di tensione estremamente preciso con una variazione minima della tolleranza e una capacità di protezione bidirezionale. Generano una capacità minima, che li rende adatti alla protezione dei segnali ad alta frequenza. Gli SPD basati su SAD mantengono prestazioni costanti in ampi intervalli di temperatura e presentano eccellenti caratteristiche di invecchiamento.

Applicazioni adatte: La tecnologia SAD è preferita per proteggere l'elettronica sensibile, comprese le interfacce di comunicazione (RS-485, CAN bus), i circuiti di misura e controllo, i sistemi di acquisizione dati e le schede di controllo dell'elettronica di potenza. Sono essenziali nelle applicazioni in cui la tolleranza di tensione è fondamentale, come le apparecchiature mediche, la strumentazione di precisione e i sistemi aerospaziali.

Tipo 4: SPD CC a tecnologia ibrida

I dispositivi ibridi di protezione dalle sovratensioni combinano più tecnologie di protezione in una configurazione coordinata per ottenere caratteristiche prestazionali superiori a quelle che può fornire una singola tecnologia.

Meccanismo di funzionamento: Un tipico progetto ibrido integra uno spinterometro o un tubo a scarica di gas come stadio primario per gestire le sovratensioni ad alta energia, seguito da uno stadio secondario MOV o SAD per un preciso bloccaggio della tensione. Gli stadi sono coordinati da elementi di impedenza (induttori o resistenze) che assicurano una corretta condivisione dell'energia. Quando si verifica una sovracorrente, lo stadio primario gestisce la maggior parte dell'energia di sovracorrente, mentre lo stadio secondario fornisce un serraggio di tensione preciso per proteggere le apparecchiature sensibili. Alcuni progetti avanzati incorporano un terzo stadio con dispositivi a semiconduttore ultrarapidi per una risposta inferiore al nanosecondo.

Vantaggi: Gli SPD ibridi offrono la migliore protezione complessiva combinando un'elevata capacità di corrente di sovratensione (grazie agli spinterometri), un eccellente bloccaggio della tensione (grazie ai MOV o ai SAD) e tempi di risposta rapidi. Garantiscono una protezione superiore in un'ampia gamma di intensità e forme d'onda delle sovratensioni. Il design a più stadi offre ridondanza e una maggiore durata operativa, poiché ogni stadio può essere ottimizzato per la sua funzione specifica.

Applicazioni adatte: Questi dispositivi di qualità superiore vengono utilizzati nelle infrastrutture critiche, tra cui gli impianti elettrici degli ospedali, i centri dati finanziari, gli uffici centrali delle telecomunicazioni e i sistemi di controllo industriali, dove il valore delle apparecchiature e i costi dei tempi di inattività giustificano un investimento più elevato. Sono particolarmente utili nelle applicazioni che richiedono protezione dai fulmini e regolazione di precisione della tensione, come gli inverter solari con sistemi di comunicazione integrati e le stazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici con elettronica di potenza complessa.

Applicazioni del dispositivo di protezione dalle sovratensioni CC

I dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente continua svolgono ruoli critici in diversi settori e applicazioni. La comprensione di questi casi d'uso aiuta a pianificare correttamente le specifiche e l'installazione.

Sistemi solari fotovoltaici

Gli impianti solari rappresentano l'applicazione più grande e in più rapida crescita per i dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente continua. Gli impianti fotovoltaici sono intrinsecamente vulnerabili ai fulmini a causa delle posizioni di montaggio elevate, delle grandi superfici e dell'esposizione alle intemperie. Un tipico impianto solare richiede una protezione a più livelli.

A livello di array, gli SPD DC proteggono le scatole di giunzione in cui si combinano più stringhe, proteggendo da fulmini diretti e indotti. La protezione a livello di stringa impedisce la propagazione delle sovratensioni tra le stringhe in parallelo e protegge i diodi di blocco e le apparecchiature di monitoraggio. All'ingresso DC dell'inverter, gli SPD costituiscono l'ultimo stadio di protezione prima delle apparecchiature di conversione dell'energia, che contengono dispositivi IGBT e MOSFET sensibili ed estremamente vulnerabili ai danni da sovratensione.

I requisiti tecnici degli SPD solari comprendono valori di tensione corrispondenti alla tensione massima del sistema (in genere 600V, 1000V o 1500V CC), valori di corrente di sovratensione adeguati al livello di esposizione (20-40 kA per le installazioni su tetto, 40-100 kA per gli array montati a terra in regioni ad alta luminosità) e valori ambientali adatti all'installazione all'esterno (IP65 o superiore, intervallo operativo da -40°C a +85°C). La conformità agli standard IEC 61643-31 e UL 1449 è essenziale per i requisiti di assicurazione e garanzia.

Sistemi di accumulo di energia a batteria

I sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) richiedono una protezione completa dalle sovratensioni per salvaguardare sia i banchi di batterie che l'elettronica di conversione e gestione dell'energia associata. Le batterie agli ioni di litio, in particolare, sono sensibili alle irregolarità di tensione che possono innescare i circuiti di protezione o, in casi estremi, causare un runaway termico.

Gli SPD DC nelle applicazioni BESS proteggono i terminali delle batterie dalle sovratensioni provenienti dall'inverter collegato alla rete, prevengono i transitori di tensione durante le operazioni di commutazione e proteggono dalle sovratensioni indotte dai fulmini nelle installazioni all'aperto. La strategia di protezione deve tenere conto del flusso di potenza bidirezionale caratteristico dei sistemi di accumulo, richiedendo SPD adatti sia alla modalità di carica che a quella di scarica.

Le specifiche critiche includono valori di tensione corrispondenti alla configurazione del banco di batterie (in genere 48V, 400V o 800V CC), tempi di risposta rapidi per proteggere i sensibili sistemi di gestione delle batterie (BMS) e il coordinamento con i circuiti di protezione delle batterie esistenti per garantire una selettività adeguata. Il monitoraggio della temperatura è particolarmente importante nelle applicazioni BESS, poiché gli alloggiamenti delle batterie possono subire temperature ambientali elevate che influiscono sulle prestazioni degli SPD.

Infrastruttura di ricarica per veicoli elettrici

Le stazioni di ricarica dei veicoli elettrici funzionano a vari livelli di tensione CC (200-1000 V CC) a seconda della velocità di ricarica, e le stazioni di ricarica rapida presentano particolari problemi di protezione a causa degli elevati livelli di potenza e della complessa elettronica di potenza.

Gli SPD DC nelle applicazioni di ricarica proteggono i moduli del convertitore AC-DC, le interfacce di comunicazione tra il caricatore e il veicolo e i sistemi di pagamento e di interfaccia utente. La protezione deve affrontare le sovratensioni provenienti dalla connessione alla rete e i potenziali transitori generati durante la connessione e la disconnessione dei veicoli.

Le specifiche devono tenere conto degli elevati livelli di corrente continua dei caricabatterie veloci (fino a 500A), dei valori di tensione adeguati allo standard di ricarica (CHAdeMO, CCS o GB/T) e della protezione delle linee di comunicazione che trasportano dati critici di sicurezza e di fatturazione. Le stazioni di ricarica per esterni richiedono SPD con protezione ambientale avanzata (IP66/67) e intervalli di temperatura più ampi per garantire un funzionamento affidabile in tutte le condizioni atmosferiche.

Infrastruttura di telecomunicazione

I sistemi di telecomunicazione utilizzano ampiamente la distribuzione di energia in c.c., tipicamente a 48 V c.c. per i rack di apparecchiature e a -48 V c.c. per le installazioni degli uffici centrali. Questi sistemi richiedono un'affidabilità estremamente elevata, poiché i tempi di inattività hanno un impatto diretto sulla disponibilità del servizio e sui ricavi.

Gli SPD DC proteggono la distribuzione di energia alle stazioni radio base, alle apparecchiature di trasmissione in fibra ottica, ai sistemi di commutazione e agli impianti di batterie di backup. La strategia di protezione deve riguardare sia le sovracorrenti della linea elettrica sia le sovracorrenti accoppiate attraverso gli schermi dei cavi e i sistemi di messa a terra. Nelle apparecchiature montate su torre, la protezione dai fulmini è fondamentale e richiede l'installazione di SPD coordinati in più punti lungo il percorso di distribuzione dell'energia.

I requisiti tecnici includono livelli di protezione a bassa tensione per salvaguardare l'elettronica sensibile (tipicamente Up < 100V per i sistemi a 48V), perdita di inserzione minima per evitare problemi di caduta di tensione in lunghe tratte di cavo e compatibilità con i sistemi di gestione della rete per il monitoraggio remoto. Gli SPD per telecomunicazioni devono soddisfare standard di affidabilità rigorosi, che spesso richiedono la certificazione NEBS (Network Equipment Building System) per le installazioni di livello carrier.

Sistemi di automazione e controllo industriale

Gli impianti industriali utilizzano sempre più spesso la distribuzione di corrente continua per i controllori logici programmabili (PLC), i sistemi di controllo distribuiti (DCS), gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) e le reti di sensori. Questi sistemi sono vulnerabili alle sovratensioni generate dalla commutazione dei motori, dalle apparecchiature di saldatura e dai fulmini che colpiscono l'infrastruttura dell'impianto.

Gli SPD CC proteggono gli alimentatori di controllo (tipicamente a 24 V CC), i moduli I/O, i bus di comunicazione (Profibus, Modbus, DeviceNet) e i bus CC dei motori. La protezione deve essere coordinata con la protezione del circuito esistente per garantire la corretta selettività ed evitare interventi fastidiosi durante le normali operazioni industriali.

Le specifiche principali includono valori di tensione corrispondenti agli standard industriali (azionamenti a 12 V, 24 V, 48 V o tensioni più elevate fino a 1000 V), immunità ai disturbi elettrici comuni negli ambienti industriali e montaggio su guida DIN per una facile integrazione nei pannelli di controllo. Gli SPD industriali devono essere conformi alla norma IEC 61643-31 e, se necessario, devono essere muniti di certificazioni per aree pericolose (ATEX, IECEx).

Distribuzione dell'alimentazione dei centri dati

I moderni data center adottano sempre più spesso architetture di distribuzione dell'alimentazione in corrente continua per migliorare l'efficienza e ridurre le perdite di conversione. Questi sistemi funzionano in genere a 380 V CC o 400 V CC, distribuendo l'alimentazione direttamente ai rack dei server ed eliminando gli alimentatori CA-CC individuali.

Gli SPD DC nei data center proteggono il bus di distribuzione primario DC, i pannelli di distribuzione di zona e le unità di distribuzione dell'alimentazione a livello di rack. La strategia di protezione deve tenere conto dei requisiti di alta disponibilità delle strutture mission-critical, spesso implementando installazioni di SPD ridondanti con capacità di failover automatico.

Le specifiche critiche includono valori elevati di corrente continua (fino a 1000A sulla distribuzione principale), livelli di protezione a bassa tensione per proteggere l'elettronica sensibile dei server, corrente di dispersione minima per evitare problemi di rilevamento dei guasti a terra e integrazione con i sistemi di gestione degli edifici per il monitoraggio in tempo reale e la manutenzione predittiva. Gli SPD per data center devono dimostrare un'elevata affidabilità con MTBF (tempo medio tra i guasti) superiore a 1 milione di ore.

Specifiche del dispositivo di protezione dalle sovratensioni CC

La scelta del dispositivo di protezione dalle sovratensioni CC più adatto richiede la comprensione delle principali specifiche tecniche e del loro rapporto con i requisiti dell'applicazione. I seguenti parametri sono fondamentali per una corretta specificazione.

Specifiche tecniche essenziali

Valutazioni e classificazioni delle prestazioni

I dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente continua sono classificati in base a standard internazionali che ne definiscono la collocazione applicativa e i requisiti prestazionali:

Tipo 1 (Classe I): Installato all'ingresso del servizio o all'origine dell'installazione. Deve resistere alla corrente di fulmine diretta con forma d'onda di 10/350 µs. Valori nominali tipici: Iimp = da 25 kA a 100 kA per polo.

Tipo 2 (Classe II): Installato su quadri di distribuzione e punti di sottodistribuzione. Testato con forma d'onda 8/20 µs. Valori nominali tipici: In = da 20 kA a 40 kA, Imax = da 40 kA a 80 kA.

Tipo 3 (Classe III): Installati sui terminali delle apparecchiature per una protezione di precisione. Valori energetici inferiori ma risposta più rapida. Valori nominali tipici: In = da 5 kA a 10 kA.

Standard di certificazione e conformità

I dispositivi di qualità per la protezione dalle sovratensioni in corrente continua devono essere dotati di certificazioni che attestino la conformità a standard internazionali riconosciuti:

• IEC 61643-31: Norma internazionale per i dispositivi di protezione contro le sovratensioni in corrente continua, che specifica le procedure di prova e i requisiti di prestazione.
• UL 1449 4a edizione: Standard di sicurezza nordamericani, compresi i requisiti SPD DC
• EN 50539-11: Norma europea per la protezione dalle sovratensioni in corrente continua negli impianti fotovoltaici
• IEEE C62.41: Guida agli ambienti di sovratensione nei circuiti di alimentazione a bassa tensione in c.a. (riferimento per le prove di sovratensione)
• IEC 60364-5-53: Requisiti di installazione dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni

Per applicazioni specifiche possono essere richieste ulteriori certificazioni, tra cui il marchio CE per i mercati europei, la certificazione TÜV per le applicazioni solari e la certificazione NEBS per le apparecchiature di telecomunicazione.

Linee guida per la selezione

Quando si specifica un SPD CC, seguire questo approccio sistematico:

1. Determinare la tensione del sistema: Identificare la tensione CC nominale e la tensione massima del sistema, compresi eventuali effetti di sovralimentazione o di temperatura.
2. Valutare il livello di esposizione: Valutare il rischio di fulminazione in base alla posizione geografica, al tipo di installazione e alle conseguenze di un guasto.
3. Calcolo del livello di protezione richiesto: Determinare la tensione di resistenza agli impulsi delle apparecchiature da proteggere.
4. Selezionare il tipo appropriato: Scegliere il tipo 1, 2 o 3 in base alla posizione di installazione e ai requisiti di coordinamento.
5. Verificare i valori nominali di corrente: Assicurarsi che i valori nominali In e Imax soddisfino o superino i requisiti dell'applicazione.
6. Confermare l'interruzione della corrente di ritorno: Verificare che l'SPD sia dimensionato per la corrente di cortocircuito disponibile.
7. Controllare le classificazioni ambientali: Adattare il grado di protezione IP e il campo di temperatura alle condizioni di installazione
8. Convalidare la conformità agli standard: Confermare le certificazioni richieste per il mercato e l'applicazione

Prezzo del dispositivo di protezione dalle sovratensioni CC

Il costo dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni CC varia in modo significativo in base alla tecnologia, alle specifiche delle prestazioni e ai requisiti dell'applicazione. La comprensione delle fasce di prezzo e dei fattori di costo consente di prendere decisioni d'acquisto informate che bilanciano le esigenze di protezione con i vincoli di bilancio.

Gamme di prezzi per tipo e applicazione

Gli SPD DC entry-level per applicazioni di base (Tipo 3, bassa tensione, uso interno) vanno in genere da $30 a $150 per dispositivo. Queste unità forniscono una protezione fondamentale per sistemi a 12-48 V CC con correnti di scarica nominali di 5-10 kA, adatte per installazioni su piccola scala e applicazioni non critiche.

Gli SPD CC di fascia media per applicazioni commerciali e industriali (tipo 2, 600-1000 V CC, 20-40 kA) costano generalmente tra $150 e $600 per dispositivo. Questa categoria comprende la maggior parte dei dispositivi di protezione per il solare fotovoltaico, gli SPD per sistemi a batteria e i dispositivi di protezione per sistemi di controllo industriali. Queste unità offrono un buon rapporto prestazioni/costo per le installazioni standard.

Gli SPD CC ad alte prestazioni per infrastrutture critiche (tipo 1, alta tensione, valori nominali da 40 a 100 kA, tecnologia ibrida) vanno da $600 a $2.500 o più per dispositivo. Le unità premium incorporano caratteristiche avanzate, tra cui il monitoraggio remoto, le funzionalità di manutenzione predittiva e le caratteristiche superiori di gestione delle sovratensioni, essenziali per le applicazioni mission-critical.

Fattori che influenzano i prezzi dei DC SPD

Tecnologia e componenti: I progetti ibridi che combinano più tecnologie di protezione hanno prezzi elevati grazie alle prestazioni superiori e ai costi dei componenti. I dispositivi a tecnologia singola (solo MOV o solo spinterometro) offrono opzioni più economiche per applicazioni con requisiti meno impegnativi.

Tensione e corrente nominale: Le tensioni nominali più elevate (1000 V, 1500 V CC) e le maggiori capacità di corrente di sovratensione (Imax > 80 kA) aumentano significativamente i costi a causa di elementi di protezione più grandi e di una struttura più robusta. Ogni raddoppio della corrente nominale di sovratensione aggiunge in genere 40-60% al costo del dispositivo.

Certificazione e test: I dispositivi certificati secondo più standard internazionali (IEC, UL, EN) hanno prezzi più alti che riflettono i costi di test e conformità. Le certificazioni specifiche per le applicazioni (NEBS per le telecomunicazioni, ATEX per le aree pericolose) aggiungono 20-40% al prezzo base.

Caratteristiche e monitoraggio: Gli SPD con funzionalità di monitoraggio remoto, sezionatori integrati, indicazione dei guasti visivi ed elettrici e monitoraggio della temperatura costano 30-50% di più rispetto ai dispositivi di base, ma offrono un valore significativo grazie alla riduzione dei costi di manutenzione e alla maggiore affidabilità del sistema.

Marchio e garanzia: I produttori affermati con una comprovata esperienza hanno in genere prezzi 15-30% più alti rispetto ai marchi meno noti, ma offrono un'assistenza tecnica superiore, garanzie più lunghe (spesso 5-10 anni rispetto a 1-2 anni) e una migliore disponibilità di parti di ricambio.

Raccomandazioni per l'approvvigionamento

Quando si acquistano dispositivi di protezione contro le sovratensioni in corrente continua, occorre considerare il costo totale di proprietà piuttosto che il solo prezzo di acquisto iniziale. Un SPD correttamente specificato del costo di $500 che previene un guasto di $50.000 apparecchiature rappresenta un valore eccezionale, mentre un dispositivo inadeguato del costo di $100 che non riesce a proteggere crea una falsa economia.

Implementare una strategia di protezione coordinata utilizzando SPD adeguatamente dimensionati a più livelli piuttosto che affidarsi a un singolo dispositivo ad alte prestazioni. Questo approccio, noto come coordinamento a cascata, fornisce una protezione complessiva superiore a un costo totale inferiore rispetto al tentativo di ottenere una protezione completa con un singolo dispositivo.

Acquistate gli SPD dai produttori che forniscono una documentazione tecnica completa, comprese le curve di tensione let-through, le classificazioni energetiche e le linee guida per il coordinamento. Queste informazioni sono essenziali per una corretta progettazione del sistema e garantiscono la compatibilità con gli schemi di protezione esistenti.

Considerate i costi del ciclo di vita, compresa la manodopera per l'installazione, i requisiti di manutenzione e gli intervalli di sostituzione. I dispositivi con montaggio senza attrezzi, chiare indicazioni di stato e moduli di sostituzione plug-in riducono i costi di proprietà a lungo termine, nonostante i prezzi iniziali potenzialmente più elevati.

Per le installazioni di grandi dimensioni, è opportuno richiedere ai produttori un supporto tecnico applicativo per ottimizzare la progettazione della protezione e garantire la corretta selezione dei dispositivi. Molti fornitori affidabili offrono questo servizio gratuitamente per progetti significativi, aggiungendo un valore sostanziale al di là del prodotto stesso.

FAQ 1: Qual è la differenza tra i dispositivi di protezione dalle sovratensioni CC (SPD) di tipo 1 e di tipo 2 e come si sceglie quello giusto per il proprio impianto fotovoltaico?

Si tratta di una distinzione fondamentale, perché l'utilizzo del tipo sbagliato può comportare rischi per la sicurezza o una protezione inadeguata.

• SPD di tipo 1 (classe I): Progettato per scaricare correnti transitorie ad alta energia, tipicamente dovute a fulmini diretti. È caratterizzato da una forma d'onda di 10/350 µs. Sono obbligatori nei sistemi con protezione esterna dai fulmini (ad esempio, un parafulmine sullo stesso edificio) o nei parchi solari di grandi dimensioni. Sono installati nel punto di distribuzione principale.
• SPD di tipo 2 (Classe II): Progettati per gestire le sovratensioni indotte a bassa energia (transitori di commutazione e fulmini indiretti), caratterizzate dalla forma d'onda di 8/20 µs. Sono gli SPD più comuni utilizzati nelle scatole di combinatori fotovoltaici commerciali e residenziali e all'ingresso CC dell'inverter.

Come scegliere:
Se il vostro campo fotovoltaico si trova in un campo aperto con un parafulmine, avete bisogno di una DOCUP di tipo 1 al combinatore principale dell'array.
Se si installa un impianto a tetto standard senza parafulmine esterno, un DOCUP di tipo 2 è di solito sufficiente. Verificare sempre il codice elettrico locale (NEC 690.41 negli Stati Uniti) per i requisiti obbligatori.

FAQ 2: Se la mia tensione CC è di 1000 V, ma la scheda tecnica dell'SPD riporta una “Tensione operativa continua massima (Ucpv) di 1100 V”, l'SPD è adatto al mio sistema?

Sì, l'SPD è probabilmente adatto e in effetti il margine di tensione è una buona pratica. Ciò si riferisce al concetto di “sovratensioni temporanee” (TOV) .

• Il principio: La tensione massima di funzionamento continuo (Ucpv o Uc) è la tensione che l'SPD può sopportare in modo continuo senza degradarsi. Nei sistemi fotovoltaici, la tensione non è perfettamente stabile. Essa fluttua con la temperatura e l'irraggiamento.
• Il margine di sicurezza: È necessario selezionare un SPD in cui il valore Uc sia almeno 1,2 volte la tensione a circuito aperto del sistema (Voc stc). Ad esempio, per un sistema a 1000 V CC, la Uc consigliata è solitamente di circa 1100 V CC o superiore.
• Perché il margine extra: Se si sceglie un SPD con un Uc esattamente corrispondente ai 1000 V del sistema, un aumento di tensione a freddo (che aumenta la tensione del pannello) potrebbe spingere la tensione del sistema oltre la soglia dell'Uc, causando l'attivazione dell'SPD (cortocircuito) senza necessità o un guasto prematuro. Un Uc più elevato garantisce che l'SPD “superi” queste normali fluttuazioni di tensione e si attivi solo durante un vero evento di sovratensione.

Conclusione

I dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente continua rappresentano componenti essenziali della moderna infrastruttura elettrica, in quanto forniscono una protezione critica per i sistemi in corrente continua sempre più diffusi nelle applicazioni di energia solare, stoccaggio delle batterie, ricarica dei veicoli elettrici, telecomunicazioni e automazione industriale. L'investimento in SPD CC correttamente specificati e installati offre un valore eccezionale prevenendo guasti catastrofici alle apparecchiature, garantendo l'affidabilità del sistema e riducendo al minimo i costosi tempi di fermo.

La scelta della protezione appropriata contro le sovratensioni CC richiede un'attenta considerazione della tensione del sistema, del livello di esposizione, della vulnerabilità delle apparecchiature e dei requisiti specifici dell'applicazione. Comprendendo i principi di funzionamento, le opzioni tecnologiche e le specifiche di prestazione descritte in questa guida, gli ingegneri e i professionisti dell'approvvigionamento possono prendere decisioni informate che ottimizzano la protezione e gestiscono efficacemente i costi.

Quando si tratta di acquistare dispositivi di protezione dalle sovratensioni CC, è importante rivolgersi a un fornitore affidabile che offra prodotti di alta qualità a prezzi competitivi. cnkuangya è specializzata nella produzione di dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente continua di qualità superiore, progettati per applicazioni impegnative nei settori delle energie rinnovabili, dell'industria e delle telecomunicazioni. I nostri prodotti combinano una tecnologia di protezione avanzata con un rigoroso controllo di qualità e certificazioni complete per garantire prestazioni affidabili negli ambienti più difficili.

Esplora la nostra gamma completa di Dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente continua progettati per soddisfare gli standard internazionali e proteggere le infrastrutture elettriche critiche. Contattate il nostro team tecnico per ricevere raccomandazioni specifiche per l'applicazione e supporto ingegneristico per garantire una protezione ottimale dei vostri sistemi CC.

Articoli correlati:

• Protezione dalle sovratensioni CA e CC: Guida completa al confronto
• Protezione del sistema solare fotovoltaico: Migliori pratiche e standard
• Protezione dai fulmini per i sistemi a energia rinnovabile
• Comprensione dello standard IEC 61643-31 per gli SPD CC
• Strategie di protezione dei sistemi di accumulo di energia a batteria