Come evitare l'uso errato dei fusibili CA nei circuiti CC

L'utilizzo di un fusibile non idoneo in un circuito potrebbe avere conseguenze potenzialmente disastrose per persone e apparecchiature. In un impianto solare costituito da più stringhe di moduli fotovoltaici (FV), le stringhe sono protette da fusibili in corrente continua (CC) installati in un combinatore o in una scatola di giunzione. Questo articolo cerca di fornire un'anteprima delle motivazioni alla base della scelta dei fusibili per un impianto fotovoltaico in corrente continua.

Come scegliere il fusibile corretto per CA e CC?

La corrente alternata (CA) è piuttosto semplice da interrompere per un fusibile, poiché la sorgente CA inverte il flusso di elettroni 100 volte al secondo nei circuiti a 50 Hz. Quando la corrente si inverte, la sua intensità si annulla. Un flusso di corrente pari a zero è molto facile da interrompere per un fusibile; a questo punto, il flusso di corrente si interrompe e non c'è più energia per sostenere l'arco attraverso l'elemento fusibile fuso.

La corrente continua, d'altra parte, può essere molto difficile da interrompere per un fusibile. In questo caso, la corrente scorre in una sola direzione. Non esiste un punto zero che aiuti il fusibile a estinguere l'arco. I fusibili per corrente continua sono dispositivi relativamente sofisticati, con una struttura diversa rispetto ai semplici fusibili per corrente alternata. I fusibili per corrente continua contengono elementi aggiuntivi per estinguere l'arco.

Per i fusibili CA e CC, le tensioni nominali standard sono diverse e non esiste una stretta relazione matematica tra queste. Un fusibile con tensione nominale di 1000 V CA può essere classificato a 500 V CC o 750 V CC, a seconda della sua costruzione. Come regola generale, un fusibile CA standard dovrà essere declassato del 50%, ovvero 1000 V CA dovrebbero essere classificati a 500 V CC per essere sicuri. Tuttavia, è consigliabile consultare il produttore del fusibile per i risultati dei test o ulteriori specifiche su ciascun fusibile prima di fare qualsiasi ipotesi.

I fusibili CA sono generalmente progettati per sopportare un carico superiore alla loro corrente nominale, a volte dal 160% al 200% del loro valore nominale, per un massimo di dieci secondi. In un impianto fotovoltaico, la corrente è limitata dalla progettazione a corrente costante dei moduli fotovoltaici, quindi ottenere una corrente sufficiente a interrompere un fusibile CA in un lasso di tempo ragionevole potrebbe essere piuttosto difficile.

I fusibili con corrente continua (CC) progettati specificamente per applicazioni fotovoltaiche sono progettati per interrompersi alla corrente nominale in breve tempo, offrendo la massima protezione per cavi, scatole di giunzione e moduli fotovoltaici. Se il fusibile non riporta la corrente continua (CC), o non è menzionato nella scheda tecnica del prodotto, è possibile che non sia approvato per l'uso in applicazioni CC. Oppure, il prodotto potrebbe non essere stato approvato da un ente di approvazione elettrica riconosciuto a livello internazionale o dal produttore stesso, che potrebbe o meno disporre di strutture di prova per condurre i test sul prodotto. Anche i portafusibili devono essere ispezionati per verificarne la corrente continua (CC).

Per proteggere te stesso e i tuoi clienti, utilizza sempre il prodotto con corrente continua corretta per i tuoi impianti fotovoltaici. Se utilizzi un prodotto con corrente nominale errata, potresti essere ritenuto responsabile per eventuali danni causati o per la perdita di vite umane, in caso di problemi.

A cosa serve il fusibile nell'impianto fotovoltaico?

I fusibili svolgono un ruolo molto importante nei progetti di energia solare. Sono utilizzati in vari punti degli impianti fotovoltaici, tra cui quadri di stringa, quadri di array e persino il lato CC del sistema inverter.

I fusibili vengono utilizzati anche sul lato CA del sistema. I fusibili CA sono diversi daifusibili CC . In questo articolo, tuttavia, prenderemo in considerazione solo la progettazione dei fusibili CC.

In caso di un numero elevato di stringhe collegate in parallelo, è necessario garantire la protezione dei pannelli fotovoltaici e del sistema contro la corrente inversa e la sovracorrente (OC).

I fusibili vengono utilizzati principalmente per proteggere l'impianto da cortocircuiti e rischi di incendio. I fusibili negli impianti fotovoltaici sono esposti a condizioni ambientali estreme, come l'esposizione alla luce solare, che ne causa un aumento anomalo della temperatura, compromettendone le prestazioni. Pertanto, è fondamentale dimensionare e selezionare i fusibili e i cavi più adatti.

Inoltre, i moduli fotovoltaici producono anche corrente continua. Questo rende ancora più importante dimensionare correttamente i fusibili.

Un fusibile è un dispositivo di protezione da sovracorrente progettato per auto-sacrificarsi per proteggere i sistemi elettrici. I fusibili sono progettati per aprire i circuiti quando sottoposti a stress da un flusso di corrente eccessivo causato da sovraccarichi o guasti. Scegliere il fusibile giusto per un'applicazione previene incendi e altri danni che potrebbero verificarsi in caso di malfunzionamento. Problemi tipici possono includere un cavo allentato nel circuito dell'inverter, un cortocircuito verso terra, il taglio accidentale di un cavo, un animale o un roditore che rosicchia i cavi, danni causati dalle intemperie e così via.

La figura 1 illustra un tipico impianto solare dai moduli fotovoltaici all'inverter.

Come scegliere correttamente i fusibili con la potenza adeguata?

I fusibili sono classificati in base alla corrente e alla tensione e solitamente sono classificati solo per corrente alternata, solo per corrente continua o sia per corrente alternata che continua. Se si utilizzano fusibili non adatti per applicazioni in corrente continua, potrebbe essere necessario ridurre la tensione nominale e consultare il produttore del fusibile per ulteriori informazioni sul prodotto. Ciò è dovuto alla maggiore energia dell'arco che deve essere assorbita durante il processo di interruzione.

Fasi chiave del dimensionamento del fusibile per la selezione del fusibile solare fotovoltaico

Per dimensionare correttamente un fusibile di una stringa, come previsto dall'articolo 690.8 del National Electrical Code 2011, è necessario attenersi ai seguenti passaggi.

1. Calcolare la corrente massima del circuito.
2. Calcolare l'amperaggio nominale del fusibile.
3. Ridurre la potenza nominale del fusibile a causa di condizioni di temperatura anomale.
4. Calcolare la potenza nominale in ampere del fusibile indicata sulla targhetta.
5. Verificare la portata del fusibile rispetto alla portata del conduttore.

La protezione da sovracorrente (fusibili o interruttori) deve essere inclusa in un circuito di alimentazione o di uscita fotovoltaico solo se si dispone di tre o più stringhe di array. I produttori di moduli fotovoltaici di solito specificano il numero massimo di stringhe che possono essere collegate in parallelo senza l'aggiunta di alcuna protezione tramite fusibile, indicando la capacità massima di corrente inversa di un modulo fotovoltaico.

I fusibili sono solitamente posizionati all'interno di una scatola di combinazione (se il sistema ne utilizza una) oppure all'interno del sezionatore CC o di una scatola di giunzione array.

La maggior parte dei dispositivi di protezione da sovracorrente è progettata per una temperatura massima di esercizio di 45 °C. Questa temperatura è adatta per l'impianto elettrico domestico di tutti i giorni. D'altra parte, a causa della loro posizione all'aperto o in soffitta, i componenti fotovoltaici possono essere esposti a temperature molto più elevate. Pertanto, se si prevede di installare fusibili o interruttori in ambienti con temperature elevate, è necessario consultare le schede tecniche del prodotto/i fattori di regolazione per l'aumento della temperatura. In caso contrario, il circuito potrebbe subire scatti indesiderati o fusibili bruciati in caso di temperature elevate.

Per determinare la normale potenza nominale del dispositivo OC, iniziare con la seguente equazione:

Corrente nominale del circuito = Imax
Capacità di corrente OC =Imax × numero di stringhe di moduli ×1,56

Sul lato CC del circuito, per questo calcolo si utilizza la corrente di cortocircuito (Isc). Se il fusibile deve essere posizionato all'interno di un combinatore o di una scatola di giunzione di un array, ad esempio, l'Isc sarà pari alla corrente di cortocircuito specificata per i moduli.

Per il nostro campione di moduli Sharp, il calcolo è dato come:

6,35 A (corrente di cortocircuito) × 1,56 = 9,906 A

Poiché i fusibili sono venduti in misure standard (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 30 ampere, ecc.), UL stabilisce che è necessario selezionare la misura più vicina al valore nominale della corrente o appena superiore. Per 9,906 A, ciò significa un fusibile da 10 A.

Per i circuiti fotovoltaici che incorporano un inverter tradizionale con trasformatore integrato, solo una delle due polarità (positiva o negativa) di una coppia, solitamente il filo non messo a terra o quello sotto tensione, dovrebbe essere dotata di fusibile. Tuttavia, se si dispone di un inverter senza trasformatore, entrambi i fili della coppia devono essere dotati di fusibile.

Nel caso ve lo stiate chiedendo, il moltiplicatore 1,56 nel calcolo della corrente nominale è una scorciatoia che incorpora due formule NEC che si applicano ai circuiti fotovoltaici.

Il primo è: Imax×1,25, che equivale a ciò che il NEC chiama corrente continua di un circuito.

La seconda formula è: Corrente continua × 1,25, che fornisce un cuscinetto al di sopra del primo valore per evitare scatti indesiderati dovuti a piccole fluttuazioni di corrente. Ora, se si considera 1,25 × 1,25 (o 1,25 al quadrato), si ottiene 1,56.
Per il nostro sistema di esempio collegato alla rete con un normale inverter senza trasformatore, una stringa a due array e una tensione (misurata in precedenza) di 420,36 V, la scatola di giunzione o di combinazione che acquistiamo deve essere classificata per 1000 V CC (ovvero la dimensione standard) per ospitare il conduttore positivo e negativo per almeno due stringhe e avere una potenza nominale minima di 20 A. Quindi

Isc per stringa = 6,35 A
Numero di stringhe in parallelo=2
Corrente totale che scorre attraverso il circuito = 6,35×2=12,7A
Considerando un fattore di valutazione del fusibile di 1,56=12,7×1,56=19,81A
La potenza nominale del fusibile da prendere in considerazione dovrebbe quindi essere >20A.

Pertanto il conduttore da 20 A selezionato è un cavo di rame da 6 mm² in grado di gestire tale corrente nominale.
Ora il sistema può funzionare in sicurezza.

La curva di declassamento del fusibile in funzione della temperatura è riportata nella Figura 2.

Fig. 2: Curva della temperatura del fusibile fotovoltaico

Selezionare i fusibili in base agli standard di certificazione

A differenza dei tipici sistemi CA connessi alla rete, la corrente di cortocircuito disponibile nei sistemi fotovoltaici è limitata e i dispositivi di protezione da sovracorrente devono funzionare efficacemente anche con bassi livelli di corrente di guasto. Per questo motivo, la maggior parte dei produttori ha condotto un'ampia attività di ricerca e sviluppo su fusibili specificamente progettati e testati per proteggere in modo sicuro i sistemi fotovoltaici con elevate tensioni CC e basse correnti di guasto.

La Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) riconosce che la protezione degli impianti fotovoltaici è diversa da quella degli impianti elettrici standard. Ciò si riflette nella norma IEC 60269-6 (gPV), che definisce le caratteristiche specifiche che un fusibile deve soddisfare per proteggere gli impianti fotovoltaici.

Le gamme di fusibili fotovoltaici per stringhe e rami dei produttori sono state specificamente progettate per soddisfare questo standard. Questi fusibili fotovoltaici sono completamente testati secondo i requisiti della norma IEC 60269-6.

Tuttavia, i produttori di fusibili fotovoltaici superano i requisiti della norma IEC 60269-6, poiché operano a 1,35 x In (1,35 volte la corrente nominale). Soddisfano anche i requisiti della norma UL 2579 e sono quindi adatti alla protezione dei moduli fotovoltaici in situazioni di corrente inversa. Sebbene la norma non riconosca un simbolo specifico, spesso viene utilizzata una combinazione di simboli per fusibile e stringhe per indicare che un fusibile è adatto alla protezione delle stringhe negli impianti fotovoltaici.