Come funziona un dispositivo di protezione dalle sovratensioni (SPD) in corrente continua: Guida per l'ingegnere

Il peggior incubo di un ingegnere: un parco solare nuovo di zecca e da molti milioni di dollari si spegne dopo un temporale lontano. L'inverter è fritto. Una torre di telecomunicazioni all'avanguardia perde la connettività, causando un'interruzione della rete. La centrale elettrica a corrente continua è fuori uso. In entrambi i casi, il colpevole non è un fulmine diretto, ma un killer silenzioso e invisibile: una sovratensione sulle linee CC. Queste sovratensioni transitorie, della durata di soli microsecondi, sono abbastanza potenti da degradare, danneggiare e distruggere i dispositivi elettronici sensibili che costituiscono la spina dorsale della nostra infrastruttura moderna.

In qualità di ingegnere applicativo senior, ho assistito troppe volte a questo costoso scenario. Gli ingegneri progettano meticolosamente ogni aspetto di un sistema, per poi trascurare l'unico componente che funge da guardia del corpo del sistema: il dispositivo di protezione dalle sovratensioni CC (SPD). Questa guida è stata scritta per cambiare questa situazione. Andremo oltre la descrizione generica di “protezione dai fulmini” e ci addentreremo nei principi ingegneristici del funzionamento di un SPD CC, di come scegliere quello giusto per la vostra applicazione e del perché è l'investimento più critico che possiate fare per l'affidabilità del vostro sistema.

Non si tratta solo di teoria. Si tratta di una guida pratica per gli ingegneri sul campo che hanno la responsabilità di mantenere i sistemi online, proteggere beni costosi e prevenire guasti catastrofici.

Che cos'è un SPD DC e perché è diverso?

Un dispositivo di protezione da sovratensioni CC è un componente specializzato progettato per proteggere le apparecchiature elettriche da eventi transitori di sovratensione nei circuiti a corrente continua (CC). È come un guardiano per le linee elettriche. In condizioni di funzionamento normali, rimane elettricamente inattivo e non ha alcuna influenza sul sistema. Tuttavia, nel momento in cui rileva un picco di tensione al di sopra di un livello di sicurezza predeterminato, si attiva istantaneamente, devia l'energia dannosa del picco verso terra e si resetta automaticamente, pronto per l'evento successivo.

La distinzione fondamentale che ogni ingegnere deve comprendere è che gli SPD in corrente continua non sono intercambiabili con le loro controparti in corrente alternata (CA). Non si tratta di una trovata di marketing, ma di una questione fondamentale di fisica elettrica.

La tensione CA attraversa naturalmente lo zero 100 o 120 volte al secondo (per i sistemi a 50/60 Hz). Quando un SPD CA devia una sovratensione, il successivo punto di attraversamento dello zero offre al componente di protezione (come un tubo a scarica di gas) l'opportunità di spegnere l'arco elettrico e di ripristinare lo stato di non conduzione.

La tensione continua, per sua natura, è un flusso continuo e inarrestabile di corrente. Non esiste un passaggio a zero. Se un SPD CA fosse installato in un circuito CC, dopo aver deviato la sovracorrente iniziale, probabilmente non sarebbe in grado di estinguere la corrente successiva proveniente dalla sorgente CC. In questo modo si crea un cortocircuito prolungato, che provoca un guasto catastrofico dell'SPD, spesso con incendi e fumi, senza offrire alcuna protezione continua.

Il risultato principale: Non utilizzare mai un SPD in corrente alternata in un'applicazione in corrente continua. L'assenza di un attraversamento dello zero nei sistemi in c.c. richiede componenti specificamente progettati per estinguere in modo sicuro un arco in c.c.. L'utilizzo di un SPD di tipo errato è più pericoloso dell'assenza di SPD.

Il principio di funzionamento principale: Serraggio e deviazione

Per capire come funziona un SPD, è utile usare un'analogia: una valvola di sicurezza ad alta velocità e a riarmo automatico in un tubo dell'acqua.

1. Stato normale: La valvola è chiusa. L'acqua (tensione) passa attraverso di essa alla sua pressione normale (livello di tensione) verso l'apparecchiatura a valle.
2. Evento di sovratensione: Un'onda di pressione improvvisa (sovratensione) scende lungo il tubo.
3. Attivazione: Prima che la pericolosa onda di pressione possa colpire le apparecchiature sensibili, la valvola si apre istantaneamente, deviando la pressione in eccesso verso un'uscita secondaria collegata a un sistema di drenaggio sicuro (terra).
4. Protezione: Aprendosi, la valvola “blocca” la pressione all'impostazione di attivazione della valvola, assicurando che l'apparecchiatura a valle veda solo una pressione sicura e gestibile.
5. Azzeramento: Non appena l'onda di pressione passa e la pressione del sistema torna normale, la valvola si chiude automaticamente, pronta per l'evento successivo.

Un SPD CC esegue le stesse due azioni fondamentali nel dominio elettrico:

• Bloccaggio della tensione: Limita la tensione transitoria a un livello sicuro che l'apparecchiatura protetta può sopportare. Questo livello è noto come Livello di protezione della tensione (Up) dell'SPD.
• Diversione attuale: Fornisce un percorso a bassa impedenza per deviare l'immensa corrente di sovratensione lontano dalle apparecchiature sensibili e in modo sicuro verso il sistema di messa a terra.

Affinché questo funzioni, l'SPD deve essere installato in parallelo al carico da proteggere, creando un percorso alternativo di “drenaggio”. L'efficacia dell'intero sistema dipende dalla qualità di questo percorso, in particolare da un collegamento robusto e a bassa impedenza con la terra. Un SPD fenomenale con un collegamento a terra scadente è come una valvola di sicurezza con un tubo di scarico intasato: è inutile.

Dentro la scatola: Una ripartizione dei componenti principali

Se il principio è semplice, la magia sta nei componenti che consentono questa commutazione quasi istantanea. Le due tecnologie più diffuse negli SPD DC sono i varistori a ossido di metallo (MOV) e i tubi a scarica di gas (GDT). La comprensione delle loro caratteristiche distinte è fondamentale per la scelta del dispositivo giusto.

Varistori all'ossido di metallo (MOV): Il cavallo di battaglia

Il MOV è il componente più comune nei moderni SPD. Si tratta di un resistore non lineare, meglio descritto come un interruttore dipendente dalla tensione.

• Come funziona: Un MOV è un disco simile alla ceramica composto da grani di ossido di zinco (ZnO) mescolati con altri ossidi metallici. Allo stato normale, i confini tra i grani agiscono come giunzioni ad alta resistenza, facendo sì che il MOV si comporti come un circuito aperto. Quando viene applicata un'alta tensione, questi confini tra i grani si rompono in nanosecondi, la loro resistenza crolla e il MOV diventa altamente conduttivo, deviando la sovracorrente. Quando la tensione torna normale, i confini dei grani si riformano e il MOV torna allo stato di alta resistenza.
• Pro: Tempo di risposta molto rapido (tipicamente <25 nanosecondi), buona capacità di gestire l'energia e basso costo.
• Contro: Si degradano ad ogni sovracorrente che deviano. Ogni volta che un MOV blocca una sovracorrente, la sua struttura interna cambia leggermente, abbassando la sua tensione di ripartizione. Con il tempo, può degradarsi fino al punto in cui inizia a “perdere” corrente alle normali tensioni di funzionamento, il che può portare a un runaway termico.

Tubi di scarico del gas (GDT): Il sollevatore pesante

Il GDT è una tecnologia più vecchia ma estremamente robusta. Si tratta essenzialmente di un parafulmine in miniatura in un tubo sigillato.

• Come funziona: Un GDT è costituito da due o più elettrodi sigillati in un piccolo cilindro di ceramica riempito con una miscela di gas inerte. In condizioni di tensione normale, il gas non è conduttivo. Quando una sovratensione raggiunge la tensione di spark-over del GDT, il gas si ionizza e crea un cortocircuito quasi perfetto (un “arco”), deviando la corrente di sovratensione verso terra. Si tratta di un'azione “a piede di porco”: in effetti, viene calato un piede di porco sulla linea.
• Pro: Sono in grado di gestire correnti di sovratensione estremamente elevate (Iimp), il che li rende ideali per le applicazioni con fulmini diretti (SPD di tipo 1). Hanno una resistenza di isolamento molto elevata e non si degradano con l'uso come i MOV.
• Contro: La loro reazione è più lenta di quella dei MOV. C'è un leggero ritardo quando il gas si ionizza, durante il quale la tensione può andare in eccesso. Dopo la sovratensione, la tensione deve scendere molto in basso per estinguere l'arco, il che può essere un problema nei circuiti in corrente continua (in relazione al problema dell'attraversamento dello zero).

SPD ibridi: Il meglio dei due mondi

Riconoscendo i punti di forza e di debolezza di ciascuna tecnologia, molti SPD avanzati sono progetti “ibridi”. Spesso utilizzano un GDT in serie o in parallelo con un MOV. Una configurazione comune pone un GDT in prima linea per gestire le forti correnti da fulmine, con un MOV a valle per bloccare la tensione “let-through” più velocemente e a un livello inferiore, fornendo una strategia di protezione a due stadi.

Confronto: MOV vs. GDT in sintesi

Un quadro pratico per la selezione del giusto DC SPD

La scelta di un SPD non consiste nel trovare il più “grande”, ma in un processo di gestione del rischio ingegneristico. È necessario adattare le specifiche del DSP ai requisiti del sistema e all'ambiente esterno. Ecco un quadro di riferimento passo dopo passo per guidare la scelta.

Fase 1: Determinazione della tensione massima di funzionamento continuo (MCOV / Uc)

Questo è il parametro più critico. L'MCOV (designato come Uc negli standard IEC) è la quantità massima di tensione CC a cui l'SPD può essere sottoposto in modo continuativo senza che si verifichi una conduttanza.

Regola empirica: L'MCOV dell'SPD deve essere pari ad almeno 1,25 volte la tensione nominale massima del sistema. Questo margine di sicurezza di 25% tiene conto delle fluttuazioni di tensione, delle tensioni di carica delle batterie e degli effetti della temperatura sul sistema (soprattutto nel solare fotovoltaico).

• Per un sistema di telecomunicazione a 48 V CC, si calcola: 48V * 1,25 = 60V. È necessario selezionare un SPD con un MCOV pari o superiore a 60V.
• Per un impianto fotovoltaico, è necessario utilizzare la tensione massima a circuito aperto (Voc) della stringa alla temperatura ambiente minima prevista, quindi applicare il fattore di sicurezza.

Suggerimento per i professionisti: Non confondere la tensione nominale del sistema con la MCOV. La scelta di un SPD con un MCOV troppo vicino alla tensione nominale è una delle principali cause di guasto prematuro. Il dispositivo interpreterà i normali picchi di tensione del sistema come piccole sovratensioni, causando una continua conduzione e un rapido degrado.

Fase 2: valutazione del livello di protezione della tensione (Up)

Il livello di protezione dalla tensione (Su) è la tensione massima che passa attraverso dell'SPD alle apparecchiature a valle durante un evento di sovratensione. È la tensione “bloccata”.

L'obiettivo è coordinamento dell'isolamento. Il Su dell'SPD deve essere significativamente inferiore alla tensione di tenuta dell'isolamento (Uw) dell'apparecchiatura che si sta proteggendo. La maggior parte dei dispositivi elettronici moderni ha un Uw di circa 1500V, ma è necessario verificare sempre le specifiche tecniche dell'apparecchiatura.

Regola empirica: Selezionare un SPD con un Su che è inferiore di almeno 20% rispetto a quello del Uw del dispositivo protetto.

• Se l'inverter solare è dotato di un Uw di 2500V, si dovrebbe scegliere un SPD con un valore di Su di 2000V o meno.

C'è un compromesso: una minore Su offre una protezione migliore, ma a volte può significare che l'SPD lavora di più e può avere una durata di vita più breve. Tuttavia, la sostituzione di un SPD è sempre più economica della sostituzione di un inverter.

Fase 3: valutazione dei valori di corrente di sovratensione (In, Imax, Iimp)

Questo parametro definisce la quantità di energia di sovratensione che l'SPD può gestire. Esistono tre valori chiave:

• Corrente di scarica nominale (In): Definisce la corrente di picco che un SPD può sopportare per una forma d'onda standardizzata di 8/20 µs per almeno 15 ripetizioni. Indica la robustezza dell'SPD nel gestire le sovracorrenti indotte (colpi vicini) ed è la classificazione principale per gli SPD di tipo 2. Un valore più alto In (ad esempio, 20kA rispetto a 10kA) implica generalmente una maggiore durata di vita.
• Corrente di scarica massima (Imax): È la corrente di picco massima che l'SPD può gestire una volta per una forma d'onda di 8/20 µs. È una misura della sua capacità di “sicurezza”. È una valutazione per gli SPD di tipo 2.
• Corrente d'impulso (Iimp): Questa classificazione è specifica per gli SPD di Tipo 1. Indica la capacità dell'SPD di resistere a un fulmine diretto, simulato con una forma d'onda ad alta energia di 10/350 µs. Gli SPD con un Iimp sono necessari all'ingresso del servizio o in luoghi molto esposti agli urti diretti.

Guida alla selezione:

• Per la protezione contro i colpi diretti all'ingresso di servizio di un edificio, un DOCUP di tipo 1 con un Iimp (ad esempio, 12,5 kA o 25 kA).
• Per la protezione dei pannelli di sottodistribuzione o in prossimità dell'apparecchiatura finale (ad esempio, all'ingresso DC di un inverter solare), un DOCUP di tipo 2 con un robusto In (ad esempio, 20 kA) è la scelta standard.

Modalità di guasto e importanza della protezione termica

Abbiamo stabilito che i MOV, i cavalli di battaglia degli SPD, si degradano nel tempo. Questo porta a una modalità di guasto critica: fuga termica.

Quando un MOV invecchia, la sua corrente di dispersione in standby alla normale tensione di esercizio aumenta. Questo flusso di corrente genera calore. Se non viene gestito, il calore aumenta la conduttività del MOV, che a sua volta aumenta la corrente di dispersione, creando un pericoloso ciclo di feedback positivo. Il MOV diventa sempre più caldo finché non si guasta in modo catastrofico, di solito per cortocircuito. In un sistema ad alta potenza in corrente continua, questo cortocircuito può provocare incendi, archi elettrici e la distruzione dell'SPD e delle apparecchiature circostanti.

Per risolvere questo problema, i produttori più affidabili costruiscono i loro SPD con una protezione termica integrata. A MOV a protezione termica (TPMOV) comprende un elemento di disconnessione termica incollato al corpo del MOV.

• Come funziona: Se il MOV inizia a surriscaldarsi, prima che possa andare in fuga termica, l'elemento di disconnessione si attiva. Esso scollega fisicamente il MOV dal circuito, creando uno stato sicuro di fine vita a circuito aperto.

Questa è la caratteristica di sicurezza più importante di un moderno SPD basato su MOV. È la differenza tra un dispositivo che si guasta in modo sicuro semplicemente mettendosi fuori servizio e uno che si guasta prendendo fuoco.

Il risultato principale: Specificare e installare sempre SPD con protezione termica integrata. L'indicatore visivo di stato (spesso una bandierina che passa dal verde al rosso) è collegato a questo sezionatore termico. Quando la bandierina è rossa, non è solo un suggerimento: indica che l'elemento di protezione è stato scollegato in modo sicuro e che il modulo SPD deve essere sostituito immediatamente.

Applicazioni del mondo reale: Dove SPD DC Sono critici

Sebbene gli SPD DC siano preziosi in qualsiasi sistema DC, sono indispensabili in diverse applicazioni chiave.

Sistemi solari fotovoltaici (PV)

Gli impianti solari sono, per loro natura, molto esposti agli eventi atmosferici. Sono strutture metalliche di grandi dimensioni, spesso installate in campi aperti o sui tetti, con lunghe tratte di cavi CC che fungono da antenne perfette per captare le sovratensioni indotte dai fulmini vicini. Il lato CC di un impianto solare, dai pannelli alle scatole di combinatori fino all'ingresso dell'inverter, è il punto più vulnerabile del sistema.

• Strategia di posizionamento: Gli SPD sono necessari a entrambe le estremità di un lungo cavo CC.
  • Combiner Box: Un tipo 2 SPD DC per proteggere i pannelli.
  • Inverter: Un robusto SPD DC di tipo 2 è assolutamente fondamentale all'ingresso DC dell'inverter centrale o di stringa. Si tratta dell'ultima linea di difesa per il componente più costoso del sistema.

Applicazioni industriali e di telecomunicazione

• Telecomunicazioni: L'alimentazione a 48 V CC è lo standard globale per le telecomunicazioni e i centri dati. Gli SPD sono essenziali per la protezione di raddrizzatori, impianti di batterie e apparecchiature radio sensibili nelle torri cellulari e nelle stazioni base.
• Sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS): Questi sistemi prevedono grandi banchi di batterie e inverter bidirezionali. Gli SPD sono fondamentali per proteggere il sistema di gestione delle batterie (BMS) e i convertitori DC-DC da sovratensioni o fulmini indotti dalla rete.
• Sistemi di controllo industriale: Tutti gli impianti che utilizzano sensori, attuatori o controlli PLC alimentati in c.c. dovrebbero installare degli SPD in c.c. per evitare costosi tempi di inattività dovuti a guasti alle apparecchiature causati da sovratensioni.

Migliori pratiche di installazione: Non compromettete la vostra protezione

Un SPD costoso e perfettamente specificato può essere reso inutile da una cattiva installazione. La fisica degli eventi di sovratensione ad alta frequenza fa sì che ogni centimetro di filo sia importante.

Regola #1: Mantenere le lunghezze dei conduttori il più possibile ridotte.

Una corrente di sovracorrente è un impulso che sale molto rapidamente (alto di/dt). Il filo che collega l'SPD alla linea e alla terra presenta un'induttanza. Questa induttanza crea una caduta di tensione additiva (V = L * di/dt) in cima a la tensione di bloccaggio dell'SPD (Su).

Esempio: Anche un solo metro di filo di collegamento può aggiungere oltre 1000 V alla tensione di passaggio durante una tipica sovracorrente. Se il vostro SPD ha un Su di 1500 V, quei 1000 V in più provenienti dai fili significano che l'apparecchiatura “protetta” vede ora 2500 V.

Suggerimento per i professionisti: Seguire la regola dei 50 centimetri. La lunghezza totale dei cavi di collegamento da e verso l'SPD (fase + terra) non deve superare i 50 cm. Se possibile, attorcigliare i conduttori per ridurre ulteriormente l'anello di induttanza. Montare l'SPD il più vicino possibile al punto di connessione sulla sbarra principale.

Regola #2: una messa a terra solida e a bassa impedenza non è negoziabile

L'SPD funziona deviando la corrente verso terra. Se il collegamento a terra è debole, resistivo o inesistente, non c'è alcun percorso per la sovracorrente. L'energia troverà semplicemente un altro percorso, probabilmente attraverso le apparecchiature sensibili. Assicurarsi che il collegamento a terra dell'SPD sia collegato direttamente alla messa a terra dell'apparecchiatura principale (EGC) e al sistema di elettrodi di messa a terra (GES) con un conduttore di dimensioni adeguate.

Domande frequenti (FAQ)

1. È davvero possibile non utilizzare un SPD CA per un'applicazione CC?
Assolutamente no. Come spiegato, l'incapacità di un SPD in corrente alternata di spegnere un arco in corrente continua lo rende un rischio significativo per la sicurezza e l'incendio. Sono fondamentalmente diversi e non devono essere scambiati.

2. Un valore di kA più elevato (come Imax) è sempre migliore?
Non necessariamente. Un punteggio più alto indica una maggiore robustezza, ma è più importante avere il corretto Su e MCOV. Un SPD da 40kA con un MCOV sbagliato si guasterà più rapidamente e offrirà meno protezione di un SPD da 20kA selezionato correttamente. Concentratevi innanzitutto sulla selezione dei parametri di tensione corretti, quindi scegliete un valore di kA adeguato al livello di esposizione.

3. Qual è la differenza tra il tipo 1 e il tipo 2? DOCUP?
Un SPD di tipo 1 è progettato per essere installato all'ingresso del servizio e può gestire l'alta energia di un impulso diretto di fulmine (Iimp, forma d'onda 10/350µs). È la prima linea di difesa. Un SPD di tipo 2 viene installato a valle ed è progettato per gestire le sovracorrenti indotte più comuni (In, forma d'onda 8/20µs). Non è possibile utilizzare un Tipo 2 quando è richiesto un Tipo 1.

4. Con quale frequenza devo sostituire il mio SPD?
Non esiste un programma fisso. Gli SPD si degradano in base al numero e all'entità delle sovratensioni che incontrano. Per questo motivo è essenziale disporre di un indicatore visivo di stato. Il piano di manutenzione deve prevedere regolari ispezioni visive di tutti gli SPD. Se l'indicatore è rosso (o mostra un guasto), il modulo deve essere sostituito immediatamente.

5. Il mio SPD ha una luce rossa. Il mio sistema non è protetto?
Sì. Un indicatore rosso significa che la protezione termica interna ha fatto il suo dovere e ha scollegato permanentemente il MOV dal circuito per evitare un guasto pericoloso. Il modulo SPD è ora “a circuito aperto” e non offre alcuna protezione. Deve essere sostituito. La maggior parte dei moderni SPD è dotata di moduli innestabili, che consentono una rapida sostituzione senza dover ricablare la base.

Conclusione: L'ultima forma di assicurazione

Nel mondo dei sistemi CC di alto valore, un dispositivo di protezione da sovratensioni CC non è un accessorio opzionale, ma un componente fondamentale di un progetto affidabile e resistente. È il guardiano silenzioso che è pronto a sacrificarsi per proteggere beni che valgono migliaia o addirittura milioni di dollari.

Superando la semplice terminologia di “parafulmine” e abbracciando i principi ingegneristici di MCOV, Up e coordinamento dell'isolamento, è possibile trasformare la protezione dalle sovratensioni da un elemento della lista di controllo a una strategia calcolata per la riduzione dei rischi. Comprendere la tecnologia, selezionare il dispositivo corretto per l'applicazione e garantire un'installazione meticolosa non sono solo buone pratiche: sono le caratteristiche di un ingegnere diligente e professionale. Non aspettate che l'incubo di un inverter fritto o di un sito di celle buio diventi la vostra realtà. Investite nella giusta protezione fin dall'inizio e assicuratevi che il vostro sistema sia costruito per durare.