Surriscaldamento del portafusibili fotovoltaico: 7 cause e soluzioni pratiche per impianti solari in zone desertiche

Il surriscaldamento del portafusibili fotovoltaico non è semplicemente un problema di “clima caldo”. In una string box solare, il calore viene prodotto dall'elemento fusibile, dalla resistenza di contatto, dai terminali e dai conduttori, per poi rimanere intrappolato dall'involucro. Quando si aggiungono alta temperatura ambiente, polvere, scarsa ventilazione o un accoppiamento errato dei componenti, un piccolo margine termico può svanire rapidamente.

Questo è particolarmente importante in Arabia Saudita, Emirati Arabi Uniti, Oman, Qatar e altri mercati dal clima caldo. Una string box esposta al sole diretto può operare a una temperatura interna molto più elevata rispetto alla temperatura dell'aria esterna dichiarata. Il risultato può essere l'intervento intempestivo del fusibile, plastica scolorita, isolamento danneggiato, pressione di contatto instabile o, nei casi più gravi, un evento termico localizzato.

Questa guida illustra sette cause comuni di surriscaldamento dei portafusibili solari, come diagnosticarle e cosa i team EPC e di approvvigionamento dovrebbero verificare prima di approvare assemblaggi di fusibili gPV da 1000V o 1500V.

Perché un portafusibili fotovoltaico genera calore

Ogni connessione che trasporta corrente presenta una resistenza. Il calore prodotto in una connessione segue la relazione:

Perdita di potenza = Corrente² × Resistenza

Questo è importante perché un modesto aumento della resistenza può creare un notevole innalzamento della temperatura quando il circuito opera vicino al suo limite di corrente continua. Anche un fusibile gPV possiede una resistenza intenzionale, poiché deve fondere in sicurezza in condizioni di guasto definite. Il portafusibili deve trasportare tale corrente, mantenere una pressione di contatto affidabile e dissipare il calore nell'aria circostante.

Il fusibile e il portafusibili si comportano quindi come un unico assieme termico. Selezionare ogni componente basandosi solo sulla sua corrente nominale di targa non è sufficiente.

1. Il portafusibili sta operando troppo vicino alla sua corrente nominale

Uno degli errori più comuni è considerare la corrente nominale di 32A o 63A di un portafusibili come una corrente operativa continua garantita in ogni condizione. Le specifiche di laboratorio sono stabilite in condizioni di prova definite. Una scatola di giunzione chiusa in un'installazione desertica può avere un flusso d'aria ridotto, più fonti di calore adiacenti e una temperatura ambiente interna molto più elevata.

Eaton osserva che i portafusibili richiedono generalmente un declassamento (derating) e che la temperatura, i cicli di corrente, le condizioni dell'involucro e il flusso d'aria possono richiedere un margine aggiuntivo. La sua guida per le applicazioni fotovoltaiche afferma inoltre che potrebbe essere necessario un ulteriore declassamento quando un fusibile è installato in un ambiente ad alta temperatura.

Soluzione pratica

• Ottenere la curva di declassamento termico del produttore sia per il fusibile che per il portafusibili.
• Utilizzare il valore previsto temperatura interna dell'involucro, non solo le previsioni meteo.
• Verificare congiuntamente la corrente continua della stringa, la Isc del modulo, i fattori di sicurezza del progetto e la portata dei cavi.
• Non “risolvere” gli interventi intempestivi installando un fusibile di taglia superiore senza aver prima verificato i limiti di protezione dei conduttori e dei moduli.

2. Il fusibile gPV e il portafusibile non sono una combinazione verificata

Un fusibile può adattarsi fisicamente all'interno di un portafusibile ma risultare comunque inadeguato dal punto di vista termico. Fusibili diversi possono avere dissipazioni di potenza, dimensioni dei terminali, finiture superficiali e caratteristiche operative differenti. Un assemblaggio misto può sviluppare una maggiore resistenza di contatto o trasferire al portafusibile più calore di quanto quest'ultimo sia progettato per gestire.

Il rischio è maggiore quando un progetto combina:

• un fusibile di una serie con un portafusibile non correlato;
• Componenti 10×38, 14×51, 10×85 o 14×85 selezionati solo in base alle dimensioni;
• un portafusibile da 1000V utilizzato in un progetto da 1500V;
• un fusibile industriale standard al posto di un fusibile fotovoltaico gPV.

La norma IEC 60269-6 definisce i requisiti supplementari per le cartucce fusibili utilizzate per la protezione di stringhe e array fotovoltaici fino a 1500V DC. Un progetto deve verificare l'intero assemblaggio e i relativi dati applicativi, senza basarsi esclusivamente sull'aspetto estetico.

Soluzione pratica

Richiedere al fornitore l'accoppiamento dichiarato cartuccia fusibile/portafusibile, la tensione nominale, l'intervallo di corrente, i dati sulla dissipazione di potenza, la norma applicabile e i limiti di temperatura. Per i quadri di parallelo (combiner box) OEM, bloccare la combinazione approvata nella distinta base (BOM) in modo che la produzione non possa sostituire una parte dell'assemblaggio senza una revisione tecnica.

3. Morsetti allentati o coppia di serraggio errata

Un morsetto a vite allentato crea una connessione ad alta resistenza. Poiché il riscaldamento aumenta con il quadrato della corrente, anche un piccolo incremento della resistenza del morsetto può generare un punto caldo concentrato. I ripetuti cicli giornalieri di riscaldamento e raffreddamento possono quindi peggiorare la connessione.

Le cause più comuni includono:

• conduttori non inseriti alla profondità specificata;
• serraggio a sensazione invece di utilizzare una chiave dinamometrica calibrata;
• cavo a trefoli sottili utilizzato senza il puntalino corretto;
• riutilizzo di un morsetto danneggiato;
• scorrimento del conduttore (creep) dopo la messa in servizio;
• vibrazioni durante il trasporto o l'installazione.

Soluzione pratica

Utilizzare i dati del produttore relativi alla coppia di serraggio e alla sezione dei conduttori. Registrare la coppia durante la produzione o la messa in servizio, quindi ispezionare un campione dopo i cicli termici. Se la termografia mostra un morsetto surriscaldato mentre il corpo del fusibile rimane relativamente freddo, indagare sulla connessione prima di modificare la taglia del fusibile.

Non aprire o sottoporre a manutenzione un portafusibile CC sotto tensione. Isolare la sorgente, seguire la procedura di lockout del progetto e confermare l'assenza di tensione utilizzando un metodo appropriato.

4. La temperatura della string box è superiore a quella prevista in fase di progettazione

L'irraggiamento solare diretto può trasformare un quadro elettrico da esterno in una trappola termica. Superfici scure del quadro, spazi limitati, dispositivi su guida DIN densamente raggruppati e una scarsa circolazione interna aumentano la temperatura dei componenti. La temperatura locale accanto a una fila di portafusibili può essere notevolmente superiore a quella dell'aria esterna al quadro.

La progettazione per climi caldi dovrebbe considerare anche:

• il calore generato da SPD, morsetti e dispositivi adiacenti;
• il carico simultaneo di molte stringhe in parallelo;
• la ridotta convezione naturale nei quadri a tenuta stagna;
• l'accumulo di polvere sulle superfici esterne;
• l'installazione contro una parete calda o priva di schermatura solare.

Le linee guida per gli impianti solari fotovoltaici di Abu Dhabi sottolineano l'importanza di utilizzare apparecchiature e cablaggi idonei all'ambiente di installazione, alle alte temperature e all'esposizione ai raggi UV. Lo stesso approccio ambientale dovrebbe essere applicato ai gruppi di protezione all'interno dei quadri da esterno.

Soluzione pratica

Modellare o misurare la temperatura interna nel caso peggiore. Prevedere la spaziatura secondo le istruzioni dell'apparecchiatura, utilizzare un involucro di colore idoneo e uno schermo solare, ed evitare di posizionare la string box in punti in cui il calore non può dissiparsi. Quando richiesto, validare l'assemblaggio completato con prove di sovratemperatura a carico rappresentativo.

5. Polvere, umidità o corrosione hanno aumentato la resistenza di contatto

La polvere fine del deserto può penetrare durante l'installazione o la manutenzione. I progetti costieri possono inoltre essere esposti a umidità e salsedine trasportata dall'aria. La contaminazione può compromettere morsetti, superfici di contatto e isolamento, mentre la corrosione aumenta gradualmente la resistenza.

Il sintomo potrebbe non essere un riscaldamento uniforme. Un contatto contaminato o corroso crea spesso una differenza di temperatura localizzata tra stringhe altrimenti identiche.

Soluzione pratica

• Selezionare un involucro e un sistema di ingresso cavi con un grado di protezione IP appropriato.
• Mantenere sigillati gli ingressi cavi non utilizzati.
• Definire gli intervalli di pulizia e ispezione in base alla polvere e alla salinità locali.
• Sostituire i supporti danneggiati invece di lucidare o improvvisare riparazioni sulle superfici di contatto.
• Verificare la presenza di scolorimento, odori, plastica fragile, vaiolatura e ridotta pressione della molla.

6. Dimensioni del cavo, compatibilità del puntalino o del morsetto errata

Un cavo con portata adeguata può comunque creare una connessione difettosa se la sua struttura non è compatibile con il morsetto. I conduttori sovradimensionati potrebbero non alloggiarsi correttamente; i conduttori sottodimensionati potrebbero non essere serrati in modo sicuro. I puntalini crimpati male aggiungono un'ulteriore interfaccia resistiva.

Controllare anche la temperatura nominale del morsetto. La guida alle applicazioni fotovoltaiche di Eaton avverte che le temperature nominali dei componenti, dei morsetti e dei conduttori devono essere coordinate. L'utilizzo di un cavo da 90°C non consente automaticamente a ogni morsetto collegato di operare a 90°C.

Soluzione pratica

Verificate:

1. materiale e sezione trasversale del conduttore;
2. struttura rigida, flessibile o a corda fine;
3. tipo di puntalino approvato e profilo di crimpatura;
4. lunghezza di spelatura e profondità di inserimento;
5. temperatura nominale dei morsetti;
6. portata dei cavi dopo la correzione per temperatura ambiente e raggruppamento.

7. Il fusibile risponde correttamente a un circuito anomalo

Non tutti i portafusibili surriscaldati sono causati dal portafusibile stesso. Una corrente superiore al previsto, una corrente inversa proveniente da stringhe in parallelo, un guasto intermittente o una configurazione errata delle stringhe possono aumentare la temperatura del fusibile. Sostituire il portafusibile senza individuare la causa elettrica potrebbe solo rimandare il problema.

Confrontare la corrente tra stringhe simili ed esaminare i dati dell'inverter, la configurazione dei moduli, la polarità e i risultati dei test di isolamento. Un problema ricorrente su un circuito merita un'indagine elettrica, non solo la sostituzione del componente.

Lista di controllo per la diagnostica del surriscaldamento dei portafusibili FV

Utilizzare questa sequenza durante un'ispezione pianificata e in sicurezza:

I confronti termici devono essere effettuati in condizioni di carico e ambientali simili. Un valore di temperatura senza contesto di carico può essere fuorviante.

Come specificare un assemblaggio di fusibili gPV più sicuro

Per un progetto in Medio Oriente, le specifiche di acquisto dovrebbero includere più della semplice tensione e corrente:

• Caratteristica del fusibile gPV specifico per fotovoltaico;
• Tensione nominale del sistema a 1000V o 1500V DC come richiesto;
• Serie di fusibili e portafusibili compatibili;
• Potere di interruzione e dati tempo-corrente;
• Informazioni sulla dissipazione di potenza e sul declassamento termico;
• Gamma dei conduttori e coppia di serraggio;
• temperatura nominale dei morsetti;
• intervallo di temperatura operativa;
• documentazione IEC o UL applicabile;
• tracciabilità del lotto;
• distanziamento dell'involucro e istruzioni di installazione;
• cartucce fusibili di ricambio e portafusibili sostitutivi.

Per applicazioni a livello di stringa, è possibile utilizzare formati cilindrici compatti come 10×38, 14×51, 10×85 e 14×85 in base ai requisiti di tensione e corrente. I circuiti di combinazione ad alta corrente, gli inverter o i sistemi di accumulo di energia possono richiedere sistemi di fusibili a corpo quadro. Il formato deve essere selezionato in base alle condizioni reali del circuito piuttosto che al solo spazio disponibile nel quadro.

Quando dovrebbe essere sostituito un portafusibile surriscaldato?

Sostituire il portafusibile se presenta plastica fusa o scolorita, perdita di pressione di contatto, morsetti danneggiati, vaiolatura, corrosione, crepe o temperatura anomala ricorrente dopo che la causa esterna è stata corretta. Sostituire la cartuccia fusibile associata se è stata soggetta a calore anomalo o se il produttore ne richiede la sostituzione come gruppo completo.

Non riutilizzare un portafusibili danneggiato dal calore solo perché conduce ancora elettricità. Il danno termico può alterare la forza della molla, la rigidità dielettrica e le distanze di isolamento superficiale.

Conclusione

Il surriscaldamento del portafusibili fotovoltaico deriva solitamente da una combinazione di corrente, resistenza e dissipazione del calore insufficiente. Nei progetti solari in zone desertiche, la progettazione deve tenere conto della temperatura reale dell'involucro, di un abbinamento verificato tra fusibile gPV e portafusibili, della qualità della connessione dei terminali, della contaminazione e dell'accessibilità per la manutenzione.

Una specifica affidabile collega il calcolo elettrico all'intero assemblaggio installato. Questo approccio riduce i guasti fastidiosi, migliora la tracciabilità e fornisce ai team EPC e O&M una base pratica per l'ispezione termica.

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Domande frequenti

È normale che un portafusibili fotovoltaico risulti caldo al tatto?

Un certo aumento di temperatura è normale poiché il fusibile e i contatti presentano una resistenza. Tuttavia, un portafusibili che risulta molto più caldo rispetto alle unità adiacenti identiche, che mostra scolorimento o che emana odore richiede un'indagine. Valuta la temperatura in relazione al carico, alle condizioni ambientali e ai limiti del produttore.

Posso installare un fusibile con corrente nominale superiore per evitare il surriscaldamento?

Non senza una revisione completa della protezione. Un fusibile di taglia superiore potrebbe non proteggere correttamente il cablaggio del modulo o il conduttore. Identificare innanzitutto se la causa sia la temperatura ambiente, il declassamento (derating), un collegamento allentato, un portafusibile non idoneo o una corrente di circuito anomala.

I portafusibili devono essere declassati in un quadro elettrico caldo?

Generalmente sì. Il margine richiesto dipende dallo specifico fusibile, dal portafusibile, dal flusso d'aria, dalla temperatura del quadro, dalla spaziatura e dai cicli di corrente. Utilizzare i dati del produttore e convalidare l'assemblaggio completo in condizioni realistiche.

Quale norma si applica ai fusibili fotovoltaici?

La norma IEC 60269-6 fornisce i requisiti supplementari per i fusibili utilizzati per la protezione di stringhe e array fotovoltaici in circuiti in corrente continua fino a 1500V.

Quali informazioni devo inviare a un fornitore di fusibili FV?

Inviare la tensione massima di sistema, la Voc e la Isc del modulo, il numero di stringhe in parallelo, la corrente nominale del fusibile desiderata, la sezione del conduttore, la temperatura del quadro, il formato di installazione e lo standard di progetto applicabile.

Riferimenti tecnici

• IEC 60269-6, requisiti per cartucce fusibili fotovoltaiche: https://webstore.iec.ch/en/publication/1245
• Eaton, guida all'applicazione della protezione dei circuiti solari: https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/electrical-circuit-protection/fuses/bussmann-series-photovoltaic-fuses/bus-ele-an-10191-pv-app-guide.pdf
• Eaton, selezione e declassamento dei portafusibili: https://www.eaton.com/vn/vi-vn/products/electronic-components/topics/how-to-select-a-fuse-holder.html
• Mersen, esempio di declassamento per temperatura ambiente dei fusibili fotovoltaici: https://www.mersen.com/sites/default/files/medias/PIM/files/720872.SLDDRW.pdf
• Dipartimento dell'Energia di Abu Dhabi, guida all'installazione di impianti solari fotovoltaici: https://doe.gov.ae/-/media/project/doe/department-of-energy/media-center-publications/english-files/solar_pv_installation_guidance_document.pdf