Comprensione del significato degli SPD CC: Tecnologia di protezione MOV vs GDT 2025

SPD DC: dispositivo di protezione contro le sovratensioni per sistemi a corrente continua, rappresenta un dispositivo di sicurezza fondamentale per proteggere le installazioni solari fotovoltaiche dai transitori di tensione distruttivi. Capire cosa sono gli SPD, come funzionano e le tecnologie chiave che li compongono aiuta i progettisti e gli installatori a scegliere una protezione adeguata per garantire un funzionamento affidabile degli impianti solari. Questa guida completa spiega i fondamenti degli SPD DC, dai principi di funzionamento di base alle tecnologie avanzate dei componenti.

Il termine “SPD” compare in tutti i codici elettrici e nelle specifiche delle apparecchiature, ma molti installatori faticano a capire cosa facciano effettivamente questi dispositivi al di là della generica descrizione di “protezione dai fulmini”. Per una corretta selezione degli SPD è necessario comprendere le tecnologie sottostanti, in particolare le differenze tra gli elementi di protezione a varistore a ossido metallico (MOV) e a tubo di scarica di gas (GDT), che costituiscono la base della maggior parte dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni solari.

Per cosa significa dc spd?

Dispositivo di protezione dalle sovratensioni definito

SPD è l'abbreviazione standardizzata di Surge Protection Device (dispositivo di protezione dalle sovratensioni), un'apparecchiatura progettata per limitare le sovratensioni transitorie e deviare le correnti di sovratensione dalle apparecchiature protette. In precedenza gli SPD venivano chiamati con vari nomi, tra cui soppressori di sovratensioni, soppressori di sovratensioni transitorie (TVSS) e scaricatori di sovratensioni secondarie. L'industria elettrica si è standardizzata su “SPD” per eliminare la confusione e fornire una terminologia coerente tra i diversi standard e produttori.

La Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) definisce formalmente gli SPD negli standard della serie IEC 61643 che coprono diverse applicazioni, tra cui i sistemi di alimentazione a bassa tensione in corrente alternata, i circuiti di telecomunicazione e gli impianti fotovoltaici. La norma IEC 61643-31 si occupa specificamente degli SPD per impianti fotovoltaici, stabilendo i requisiti di prestazione e i metodi di prova per i dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente continua utilizzati nelle applicazioni solari.

Negli Stati Uniti, lo standard UL 1449 degli Underwriters Laboratories riguarda gli SPD per i circuiti di alimentazione CA e CC, compresi i sistemi solari fotovoltaici. Questo standard stabilisce i requisiti di sicurezza e di prestazione che gli SPD devono soddisfare per essere inseriti nell'elenco UL. L'articolo 285 del NEC stabilisce i requisiti per l'installazione degli SPD negli impianti elettrici generali, mentre l'articolo 690.35 si occupa specificamente dei requisiti di protezione dalle sovratensioni per gli impianti fotovoltaici.

Perché gli SPD CC sono diversi dalla protezione CA

La protezione dalle sovratensioni in corrente continua deve affrontare sfide uniche rispetto alle applicazioni in corrente alternata, a causa delle differenze fondamentali nel comportamento della corrente. La corrente alternata attraversa naturalmente lo zero di tensione due volte per ciclo elettrico - 20 volte al secondo nei sistemi a 60 Hz. Questo passaggio a zero estingue naturalmente gli archi nei dispositivi di protezione, rendendo la protezione dalle sovratensioni in c.a. relativamente semplice con i componenti che devono interrompere la corrente solo durante i brevi periodi di corrente zero.

La corrente continua mantiene una polarità costante senza incroci di zero, creando archi sostenuti quando i dispositivi di protezione si attivano durante le sovratensioni. Questi archi in corrente continua non si estinguono naturalmente e possono continuare all'infinito se il dispositivo di protezione non è in grado di interrompere attivamente il flusso di corrente. Gli SPD in c.c. devono incorporare meccanismi di estinzione dell'arco migliorati che i dispositivi in c.a. non richiedono, rendendo gli SPD in c.c. più complessi e tipicamente più costosi di una protezione in c.a. equivalente.

Gli impianti solari fotovoltaici funzionano con tensioni in corrente continua che in genere raggiungono i 600V e i 1500V, notevolmente superiori ai tipici impianti residenziali a 120/240V in corrente alternata. Le tensioni più elevate creano archi più forti che richiedono capacità di soppressione proporzionalmente maggiori. Un SPD da 1000 V CC si trova ad affrontare condizioni operative molto più severe rispetto a un dispositivo da 240 V CA, e richiede progetti e materiali speciali per proteggere in modo affidabile le apparecchiature in caso di numerosi eventi di sovratensione.

💡 Approfondimento chiave: Non utilizzare mai SPD in corrente alternata in applicazioni solari in corrente continua: non hanno la capacità di estinzione dell'arco richiesta per il servizio in corrente continua e si guasterebbero in modo catastrofico. Verificare sempre i valori di tensione CC espliciti sull'etichetta degli SPD prima di installarli negli impianti fotovoltaici.

Come gli SPD proteggono le apparecchiature

Principio di bloccaggio della tensione

Gli SPD proteggono bloccando e limitando le tensioni che si manifestano sulle apparecchiature protette durante gli eventi di sovratensione. In condizioni di funzionamento normali, gli SPD presentano un'impedenza estremamente elevata e appaiono essenzialmente come circuiti aperti. Quando la tensione supera il livello di soglia dell'SPD, il dispositivo passa rapidamente a bassa impedenza, conducendo la corrente di sovratensione a terra e mantenendo la tensione tra i suoi terminali al livello di tensione di bloccaggio.

Il bloccaggio della tensione impedisce che una tensione eccessiva raggiunga le apparecchiature protette. Se un inverter è in grado di resistere a 2000V prima della rottura dell'isolamento, ma una scarica di fulmini raggiunge i 10.000V, l'SPD deve bloccare la tensione al di sotto dei 2000V. Un SPD adeguatamente dimensionato potrebbe bloccare a 1500 V, una tensione comodamente inferiore ai limiti dell'apparecchiatura, pur rimanendo sufficientemente al di sopra della normale tensione di funzionamento per evitare false attivazioni in condizioni normali.

Il rapporto tra la tensione di funzionamento normale, la tensione di bloccaggio dell'SPD e la tensione di isolamento dell'apparecchiatura determina l'efficacia della protezione. Gli SPD ideali si bloccano appena al di sopra della tensione di funzionamento normale, rimanendo ben al di sotto della tensione di isolamento delle apparecchiature. Tuttavia, la fisica limita la capacità di bloccaggio degli SPD: tensioni di bloccaggio inferiori richiedono tecnologie più sofisticate (costose) e riducono la capacità di gestione dell'energia degli SPD.

Il tempo di risposta degli SPD influisce in modo determinante sulla qualità della protezione. Le tensioni di sovratensione da fulmine aumentano molto rapidamente, spesso raggiungendo il picco di tensione in microsecondi. Se gli SPD rispondono lentamente, la tensione può salire notevolmente al di sopra dell'eventuale tensione di blocco prima che l'SPD si attivi completamente. Gli SPD a risposta rapida limitano questo sovraccarico di tensione, fornendo una protezione migliore rispetto ai dispositivi più lenti, anche quando entrambi alla fine si bloccano alla stessa tensione di stato stazionario.

Percorso di deviazione attuale

Quando gli SPD si attivano durante le sovratensioni, deviano la corrente di sovratensione dalle apparecchiature protette attraverso un percorso alternativo verso terra. La corrente di sovratensione fluisce dal conduttore in ingresso attraverso l'SPD fino al sistema di elettrodi di messa a terra, anziché proseguire attraverso le apparecchiature protette. Questa deviazione di corrente riduce l'energia di sovratensione che raggiunge le apparecchiature da livelli potenzialmente distruttivi a livelli di sicurezza entro le capacità di resistenza delle apparecchiature.

Una deviazione efficace della corrente richiede collegamenti a terra a bassa impedenza. Gli SPD possono deviare la corrente solo se il percorso verso terra offre un'impedenza inferiore a quella del percorso attraverso le apparecchiature protette. Conduttori di terra lunghi, arrotolati o sottodimensionati introducono un'impedenza che riduce l'efficacia dell'SPD, costringendo una parte della corrente di sovratensione a passare attraverso le apparecchiature nonostante il funzionamento dell'SPD. Una corretta installazione dell'SPD richiede collegamenti a terra il più corti possibile, utilizzando conduttori di dimensioni adeguate.

L'SPD deve gestire tutte le sovracorrenti deviate senza subire danni e contemporaneamente bloccare la tensione. Questo duplice requisito, che consente di gestire una corrente elevata mantenendo una bassa tensione, rappresenta la sfida ingegneristica fondamentale nella progettazione degli SPD. Le diverse tecnologie di protezione raggiungono questo equilibrio attraverso meccanismi diversi, con i MOV e i GDT che rappresentano gli approcci più comuni nelle applicazioni solari.

Tecnologia dei varistori all'ossido di metallo (MOV)

Costruzione e funzionamento del MOV

I varistori a ossido metallico costituiscono il cuore della maggior parte degli SPD solari in corrente continua, grazie al loro eccellente equilibrio tra prestazioni, affidabilità e costo. I MOV sono costituiti da materiale ceramico all'ossido di zinco sinterizzato contenente numerosi bordi di grano microscopici che creano una resistenza dipendente dalla tensione. In condizioni di tensione normali, i bordi dei grani del MOV presentano un'elevata resistenza che blocca il flusso di corrente. Quando la tensione supera la soglia del MOV, i confini dei grani si rompono permettendo la conduzione della corrente.

La caratteristica di resistenza dipendente dalla tensione dà il nome ai MOV: ”varistore” combina “resistore variabile”, indicando una resistenza che cambia con la tensione applicata. La resistenza del MOV diminuisce drasticamente quando la tensione aumenta oltre la soglia, creando l'azione di bloccaggio che limita la tensione durante le sovratensioni. Questo comportamento si verifica naturalmente grazie alle proprietà semiconduttrici dei bordi dei grani di ossido di zinco, senza bisogno di circuiti di controllo o meccanismi di attivazione esterni.

La costruzione del MOV prevede la miscelazione di polvere di ossido di zinco con piccole quantità di bismuto, cobalto, manganese e altri ossidi metallici, quindi la compressione e la sinterizzazione della miscela ad alta temperatura. Il processo di sinterizzazione fonde il materiale in un disco ceramico solido con le caratteristiche elettriche desiderate. Gli elettrodi metallici sulle facce del disco forniscono i punti di connessione, mentre l'intero gruppo è spesso rivestito di resina epossidica o alloggiato in custodie di ceramica per la protezione ambientale e l'isolamento.

La tensione nominale del MOV dipende dallo spessore del disco e dalla formulazione dell'ossido di zinco. I dischi più spessi resistono a tensioni più elevate, poiché esistono più confini di grano in serie. La capacità di gestione dell'energia è correlata al diametro del disco: i diametri più grandi dissipano più calore e gestiscono una maggiore quantità di energia di picco prima del guasto. Gli SPD solari DC utilizzano in genere dischi MOV di diametro compreso tra 25 e 40 mm per un'adeguata gestione dell'energia con valori nominali compresi tra 600 e 1500 V.

🎯 Suggerimento per i professionisti: I valori nominali di tensione dei MOV variano con la temperatura: la tensione di bloccaggio diminuisce all'aumentare della temperatura. Questo coefficiente termico fa sì che i MOV si stringano di più quando sono caldi, il che è potenzialmente vantaggioso per la protezione, ma aumenta anche lo stress sul MOV stesso durante i ripetuti eventi di sovratensione in ambienti caldi.

Vantaggi e limiti del MOV

I MOV offrono diversi vantaggi significativi che li rendono popolari per le applicazioni solari. Il loro rapido tempo di risposta, che in genere si attiva in pochi nanosecondi, fornisce un'eccellente protezione contro i transitori di fulmini a rapida insorgenza. I MOV gestiscono livelli di energia da moderati a elevati, adeguati alla maggior parte delle esigenze di protezione dalle sovratensioni solari. Questa tecnologia si è dimostrata conveniente, affidabile e ben conosciuta dopo decenni di utilizzo diffuso nelle applicazioni di protezione dalle sovratensioni.

La tensione di bloccaggio dei MOV rimane relativamente stabile in un'ampia gamma di correnti di sovratensione. A differenza di alcune tecnologie di protezione in cui la tensione di bloccaggio aumenta sostanzialmente con la corrente, i MOV mantengono un bloccaggio ragionevolmente costante in tutto l'intervallo di correnti nominali. Questo comportamento prevedibile semplifica il coordinamento della protezione e consente di garantire le specifiche di protezione delle apparecchiature.

Tuttavia, i MOV subiscono un degrado graduale quando sono esposti a ripetuti eventi di sovratensione o a un funzionamento prolungato vicino alla loro tensione nominale. Ogni sovratensione danneggia leggermente la struttura dell'ossido di zinco, riducendo progressivamente la soglia di tensione del MOV. Dopo molte sovratensioni, il MOV può iniziare a condurre alla normale tensione di funzionamento, assorbendo una corrente continua che genera calore e alla fine provoca un guasto catastrofico. Questo degrado rende la durata del MOV piuttosto imprevedibile, a seconda della storia dell'esposizione alle sovratensioni.

La corrente di inseguimento dei MOV rappresenta un'altra limitazione nelle applicazioni in corrente continua. Quando i MOV si bloccano durante le sovratensioni, conducono momentaneamente correnti elevate. Nei sistemi in corrente alternata, il normale attraversamento dello zero della corrente alternata estingue naturalmente questo flusso. Nei sistemi in c.c. senza attraversamento dello zero, i MOV possono continuare a condurre dopo il passaggio della sovracorrente se il sistema è in grado di fornire una corrente sufficiente. Gli SPD DC di qualità incorporano sezionatori in serie o elementi di limitazione della corrente che gestiscono la corrente che segue il MOV, ma queste aggiunte aumentano il costo e la complessità.

Tecnologia GDT (Gas Discharge Tube)

Costruzione e gestione GDT

I tubi a scarica di gas rappresentano una tecnologia alternativa di protezione dalle sovratensioni che utilizza la ionizzazione di un gas sigillato per condurre la corrente di sovratensione. I GDT sono costituiti da due o tre elettrodi separati da piccoli spazi all'interno di tubi di ceramica o di vetro riempiti di gas inerte, tipicamente argon o una miscela di gas nobili. In condizioni di tensione normale, il gas rimane non conduttivo e i GDT presentano un'impedenza estremamente elevata, prossima all'infinito.

Quando la tensione sugli elettrodi GDT supera la soglia di ionizzazione del gas, quest'ultimo si rompe diventando plasma conduttivo. Questo gas ionizzato conduce la corrente di picco tra gli elettrodi con una resistenza molto bassa, tipicamente inferiore a 1 ohm quando è completamente ionizzato. La bassa resistenza consente ai GDT di gestire correnti estremamente elevate generando una caduta di tensione minima, il che li rende eccellenti per le applicazioni di protezione dalle sovratensioni ad alta energia.

Dopo la cessazione della corrente di sovracorrente, il gas ionizzato si ricombina rapidamente tornando allo stato non conduttivo. Questa caratteristica di auto-recupero fa sì che i GDT tornino automaticamente in modalità di protezione dopo le sovracorrenti, senza dover essere sostituiti a meno che non si verifichino danni. La deionizzazione rapida nei sistemi in corrente alternata si verifica naturalmente al passaggio dello zero della corrente. Nei sistemi in corrente continua, la scarica deve autoestinguersi quando la corrente di sovracorrente scende al di sotto del livello minimo di corrente di mantenimento del gas.

I valori di tensione GDT dipendono dalla distanza tra gli elettrodi e dalla composizione del gas. Le fessure più ampie e il gas a bassa pressione aumentano la tensione di breakdown, mentre le fessure più strette e la pressione più elevata la riducono. Gli SPD solari DC utilizzano in genere GDT multi-gap con tre elettrodi che creano due gap di scarica in serie, consentendo di ottenere tensioni nominali più elevate da package compatti. Questi progetti raggiungono comunemente valori nominali da 600 a 1500 V CC, adatti alle applicazioni fotovoltaiche.

Vantaggi e limiti della GDT

I GDT eccellono nella gestione di correnti di sovratensione molto elevate, nettamente superiori a quelle dei MOV di dimensioni simili. La loro bassa caduta di tensione di conduzione durante le sovratensioni comporta una minore dissipazione di energia nel dispositivo di protezione e una corrispondente maggiore capacità di gestione dell'energia. I GDT presentano inoltre un degrado minimo dovuto all'esposizione alle sovratensioni, garantendo prestazioni costanti per una lunga durata anche in ambienti ad alta esposizione ai fulmini.

L'impedenza di stato normale estremamente elevata dei GDT introduce un carico sostanzialmente nullo sui circuiti protetti. Nessuna corrente di dispersione passa attraverso i GDT non conduttori, a differenza dei MOV che presentano piccole correnti di dispersione che aumentano con l'invecchiamento. Questa caratteristica di assenza di perdite si rivela preziosa in alcune applicazioni specializzate, dove anche le correnti di dispersione di microampere creano problemi.

Tuttavia, i GDT soffrono di diverse limitazioni significative che influiscono sulle loro applicazioni di SPD solari. Il tempo di risposta più lento rispetto ai MOV - tipicamente microsecondi anziché nanosecondi - consente alla tensione di aumentare notevolmente prima che si verifichi la ionizzazione del GDT. Questo sovraccarico di tensione può superare i limiti di resistenza delle apparecchiature, nonostante il funzionamento del GDT. I transitori di fulmini a rapida insorgenza possono danneggiare le apparecchiature prima che i GDT più lenti si attivino completamente.

Le caratteristiche di tensione dei GDT sono meno prevedibili rispetto ai MOV. La tensione di breakdown varia in base alla temperatura, alla velocità di crescita della tensione applicata e persino alla storia di sovratensioni precedenti. Gli ampi intervalli di tolleranza fanno sì che i GDT dello stesso lotto di produzione possano ionizzare a tensioni che variano di ±20% o più. Questa variabilità complica il coordinamento preciso della protezione e rende difficile ottenere un bloccaggio di tensione stretto in modo affidabile.

Design ibrido di SPD

Combinazione di tecnologie MOV e GDT

Molti SPD solari DC di alta qualità utilizzano progetti ibridi che combinano MOV e GDT per sfruttare i vantaggi di ciascuna tecnologia e mitigare i rispettivi limiti. Le configurazioni ibride più comuni collocano i MOV e i GDT in serie o in parallelo, coordinandone il funzionamento attraverso un'attenta selezione dei componenti e degli elementi di controllo aggiuntivi.

I progetti ibridi in serie collocano un GDT in serie con un MOV. Il MOV fornisce una risposta iniziale rapida che blocca rapidamente la tensione, mentre il GDT gestisce una corrente elevata sostenuta dopo la ionizzazione. Questa disposizione protegge sia dai transitori a rapida insorgenza che richiedono una risposta immediata, sia dalle sovracorrenti ad alta energia che superano la capacità del MOV. I progetti in serie richiedono un'attenta coordinazione per garantire che il GDT si ionizzi prima che vengano superati i limiti di energia del MOV.

I progetti ibridi in parallelo collegano MOV e GDT sullo stesso percorso linea-terra, con resistenze o induttori a limitazione di corrente che gestiscono l'interazione tra gli elementi. La rapida risposta del MOV gestisce l'aumento iniziale della tensione transitoria, quindi il GDT si ionizza e trasporta la maggior parte della corrente di sovratensione grazie alla sua minore resistenza di conduzione. Questa configurazione offre una risposta rapida con un'elevata gestione della corrente, anche se il corretto coordinamento richiede una progettazione sofisticata per evitare conflitti tra i componenti.

⚠️ Importante: I progetti di SPD ibridi richiedono una progettazione esperta per bilanciare le caratteristiche dei componenti. Un progetto ibrido non correttamente coordinato può avere prestazioni peggiori rispetto agli SPD monotecnologici se i componenti si contrastano a vicenda durante le sovratensioni. Scegliete SPD ibridi di produttori affidabili che forniscano dati di prova che dimostrino il corretto coordinamento.

Diodi a valanga al silicio (SAD)

La tecnologia dei diodi a valanga al silicio rappresenta un terzo approccio di protezione che trova applicazione nella protezione dell'elettronica sensibile e nei progetti di SPD solari specializzati. I SAD utilizzano giunzioni PN in silicio fortemente drogate che subiscono una rottura a valanga a tensioni precise, fornendo un bloccaggio di tensione estremamente stretto e una risposta ultraveloce misurata in picosecondi.

I SAD offrono diversi vantaggi, tra cui le tolleranze di tensione di serraggio più strette di qualsiasi altra tecnologia di protezione, tipicamente ±5% rispetto a ±10-20% per i MOV e più ampie per i GDT. Questa precisione consente ai sistemi di protezione di operare più vicino ai limiti di tensione delle apparecchiature, massimizzando l'efficienza. La risposta ultraveloce protegge anche dai transitori più rapidi senza sovraccarichi di tensione. I SAD si dimostrano inoltre eccezionalmente affidabili, senza alcun degrado dovuto all'esposizione alle sovratensioni per milioni di operazioni.

Tuttavia, i singoli dispositivi SAD gestiscono un'energia relativamente bassa e richiedono array in serie-parallelo per applicazioni ad alta tensione e ad alta energia come i sistemi solari. Questi array aumentano notevolmente il costo e la complessità. I SAD funzionano meglio nei progetti ibridi che proteggono i circuiti sensibili a valle degli stadi di protezione primaria MOV o GDT. La protezione SAD nello stadio finale fornisce una stretta tensione di bloccaggio per l'elettronica delicata dopo che la protezione a monte ha ridotto l'energia di sovratensione a livelli che i SAD possono gestire.

Parametri prestazionali chiave dell'SPD

Tensione massima di funzionamento continuo (MCOV)

La tensione massima di funzionamento continuo rappresenta la tensione più alta che un SPD può sopportare in modo continuo senza degrado o false attivazioni. L'MCOV deve superare la tensione massima che appare attraverso l'SPD in tutte le normali condizioni operative, comprese le variazioni dovute agli effetti della temperatura, alle fluttuazioni della tensione di rete e agli stati operativi del sistema. Il funzionamento continuo degli SPD al di sopra del loro valore nominale MCOV causa un guasto prematuro dovuto a stress termico o al degrado dei componenti.

Per le applicazioni solari in corrente continua, l'MCOV deve tenere conto della tensione di punto di massima potenza dell'array, che varia con l'irraggiamento e la temperatura. Nelle giornate di sole, gli array funzionano vicino alla tensione MPP nominale, mentre le condizioni di cielo coperto possono indurre gli inverter a funzionare a tensioni più elevate per ottenere la massima potenza. L'SPD MCOV deve superare queste tensioni operative con un margine adeguato, in genere minimo 10-20%, per garantire un funzionamento affidabile senza false attivazioni.

La temperatura influisce sui valori nominali di MCOV in modo diverso per le varie tecnologie di SPD. Le tensioni nominali dei MOV diminuiscono leggermente a temperature elevate, mentre le tensioni di breakdown dei GDT aumentano generalmente con la temperatura. Le specifiche degli SPD di qualità forniscono i valori nominali di MCOV per l'intero intervallo di temperature operative, piuttosto che per singole temperature di prova arbitrarie. Verificare che l'MCOV dell'SPD superi la tensione del sistema alla temperatura di funzionamento più alta prevista, non solo a 25°C standard.

Tensione nominale di protezione (VPR) / Tensione di serraggio

Il rating di protezione della tensione, detto anche tensione di bloccaggio, indica la tensione massima che si manifesta tra l'SPD e l'apparecchiatura protetta durante gli eventi di sovratensione. Valori di VPR più bassi garantiscono una migliore protezione delle apparecchiature, limitando la tensione a livelli più sicuri. Tuttavia, VPR deve rimanere sufficientemente al di sopra di MCOV per evitare false attivazioni dell'SPD durante le normali operazioni, compresi i transitori di tensione dovuti a eventi di commutazione legittimi.

I produttori di SPD specificano in genere la VPR a correnti di prova specifiche, in genere 10kA per i dispositivi residenziali e 20kA per le applicazioni commerciali. La tensione di bloccaggio aumenta leggermente con la corrente di sovratensione, quindi correnti di prova più elevate producono specifiche VPR più elevate. Quando si confrontano gli SPD, assicurarsi che i confronti VPR utilizzino la stessa metodologia di corrente di prova: un dispositivo che mostra 1500V VPR a 10kA potrebbe mostrare 1700V a 20kA.

La relazione tra la tensione di resistenza dell'apparecchiatura, la tensione di bloccaggio dell'SPD e l'aumento di tensione dovuto all'induttanza del conduttore determina l'efficacia complessiva della protezione. Se l'apparecchiatura resiste a 2000 V, l'SPD si blocca a 1500 V, ma l'induttanza del conduttore aggiunge un sovraccarico di 600 V, l'esposizione effettiva dell'apparecchiatura raggiunge i 2100 V, superando la sua capacità di resistenza nonostante il bloccaggio tecnicamente adeguato dell'SPD. Una corretta installazione dell'SPD con una lunghezza minima dei conduttori si rivela importante quanto le specifiche VPR dell'SPD.

Corrente di scarica nominale (In) e corrente di scarica massima (Imax)

La corrente di scarica nominale (In) indica il livello di corrente di sovratensione che un SPD può gestire ripetutamente senza subire danni. Gli SPD sono sottoposti a test con correnti di sovratensione di livello In per più volte - tipicamente 15-20 operazioni - per verificare che sopravvivano senza deteriorarsi o guastarsi. In fornisce un'indicazione realistica della robustezza dell'SPD per la normale esposizione alle sovratensioni prevista durante la vita di servizio.

La corrente di scarica massima (Imax) rappresenta la corrente di sovracorrente singola più elevata a cui un SPD può sopravvivere senza subire guasti catastrofici. Questo valore si applica ai casi peggiori di sovratensione, come i fulmini vicini, che possono verificarsi solo una volta nella vita di un SPD. In genere, Imax supera In di 2-5 volte, a seconda del design e della tecnologia dell'SPD, riflettendo la differenza tra le sovratensioni moderate ripetute e i singoli eventi estremi.

Per le applicazioni solari, scegliere SPD con valori nominali di In adeguati alla frequenza di esposizione alle sovratensioni prevista e Imax adeguati alle considerazioni sulla zona di fulminazione. Le aree a moderata esposizione ai fulmini possono utilizzare SPD con valori nominali di 20kA In / 40kA Imax, mentre le regioni ad alta esposizione beneficiano di specifiche di 40kA In / 80-100kA Imax. I valori nominali più elevati costano di più, ma forniscono i margini di protezione necessari in ambienti severi.

🎯 Suggerimento per i professionisti: Non confondere i valori nominali di corrente degli SPD con quelli dei dispositivi di protezione dalle sovracorrenti. Un SPD da 20kA si riferisce alla gestione della corrente di picco, non alla corrente continua o di cortocircuito. I circuiti SPD necessitano comunque di fusibili o interruttori, in genere da 15-20A, che proteggano da guasti prolungati se gli SPD non funzionano in cortocircuito.

Criteri di selezione dell'SPD

Abbinamento dell'SPD alla tensione di sistema

Per una corretta selezione della tensione nominale degli SPD è necessario comprendere tre livelli di tensione critici: la tensione nominale del sistema, la tensione del punto di massima potenza e la tensione a circuito aperto. La tensione nominale (come 600V o 1000V) rappresenta la tensione di funzionamento tipica, ma non coglie l'intervallo di tensione che gli SPD devono gestire. La tensione del punto di massima potenza varia in base alla temperatura e all'irraggiamento, ma rappresenta la tensione in cui normalmente operano gli inverter.

La tensione a circuito aperto definisce il limite superiore di tensione quando gli array funzionano senza flusso di corrente di carico. Questa condizione si verifica durante le interruzioni della rete, al mattino presto prima dell'avvio degli inverter o quando gli inverter si scollegano dagli array. Il VOC varia in modo significativo con la temperatura: il freddo aumenta il VOC in modo sostanziale rispetto ai valori nominali. La norma NEC 690.7 richiede il calcolo del VOC massimo tenendo conto della temperatura ambiente più bassa prevista, che spesso produce tensioni 20% superiori a quelle nominali.

La tensione massima di funzionamento continuo (MCOV) dell'SPD deve superare la tensione massima del punto di potenza del sistema, mentre il grado di protezione della tensione deve rimanere al di sotto della tensione di resistenza dell'isolamento dell'apparecchiatura. Un sistema da 1000V nominali potrebbe avere una tensione MPP di 850V e una VOC massima di 1200V. Le specifiche dell'SPD potrebbero essere 1000V MCOV / 1500V VPR, in modo che l'SPD sia in grado di gestire il normale funzionamento senza false attivazioni e di bloccare al di sotto dei limiti dell'apparecchiatura durante le sovratensioni.

Considerare la posizione di installazione

I requisiti degli SPD variano notevolmente in base alla posizione dell'installazione all'interno dell'impianto fotovoltaico. I combinatori di array e i sezionatori principali in CC sono soggetti alla massima esposizione alle sovratensioni causate da fulmini diretti o vicini, e richiedono SPD di tipo 1 con correnti nominali elevate, in genere 40-100kA a seconda dell'esposizione ai fulmini. Queste posizioni beneficiano di tecnologie GDT o ibride che garantiscono la massima gestione dell'energia.

I terminali di ingresso CC degli inverter richiedono un preciso bloccaggio della tensione per proteggere i semiconduttori sensibili, ma devono affrontare una minore energia di sovratensione dopo che l'impedenza del conduttore a monte e gli SPD primari attenuano le minacce. Gli SPD di tipo 2 con valori nominali di 15-20kA sono in genere sufficienti per le posizioni degli inverter. La tecnologia MOV funziona bene in questo caso, fornendo una risposta rapida e una tensione di bloccaggio elevata per proteggere l'elettronica delicata. Gli inverter multipli necessitano di SPD individuali piuttosto che di una protezione collettiva.

I terminali di ingresso CC delle apparecchiature necessitano di una protezione individuale anche quando gli SPD a monte sono presenti nei combinatori o nei sezionatori. Il percorso dei conduttori tra gli stadi di protezione introduce un aumento di tensione durante i transitori veloci che può superare i limiti di resistenza delle apparecchiature nonostante il funzionamento dell'SPD a monte. Gli SPD a livello di terminale forniscono un bloccaggio localizzato immediatamente in corrispondenza delle connessioni dell'apparecchiatura, impedendo che l'aumento di tensione dell'induttanza al piombo vanifichi la protezione.

Test e standard SPD

Requisiti fotovoltaici IEC 61643-31

La norma IEC 61643-31 stabilisce requisiti specifici per gli SPD nei sistemi fotovoltaici, affrontando le sfide uniche della protezione dalle sovratensioni in corrente continua ad alta tensione. Questo standard definisce le procedure di test, le classificazioni delle prestazioni e i requisiti di marcatura per garantire l'affidabilità degli SPD nelle applicazioni solari. Gli SPD certificati secondo la norma IEC 61643-31 sono stati sottoposti a test rigorosi che simulano l'esposizione ai fulmini e alle sovratensioni di commutazione dei sistemi fotovoltaici.

Lo standard stabilisce le classificazioni degli SPD (Tipo 1, 2 e 3) in base alle forme d'onda di corrente testate e alle capacità di gestione dell'energia. I test di tipo 1 utilizzano forme d'onda di corrente di 10/350μs che rappresentano la corrente diretta del fulmine, mentre i test di tipo 2 utilizzano forme d'onda di 8/20μs per le sovratensioni indotte. Queste diverse forme d'onda hanno un contenuto energetico molto diverso: le forme d'onda da 10/350μs forniscono molta più energia di quelle da 8/20μs a parità di corrente di picco, rendendo i test di tipo 1 molto più severi.

I test sui cicli di temperatura verificano il funzionamento degli SPD negli intervalli da -40°C a +85°C tipici delle installazioni solari all'aperto. I test di funzionamento a temperature estreme assicurano che gli SPD non si attivino erroneamente in condizioni di freddo (quando le tensioni del sistema aumentano) o non si guastino prematuramente in condizioni di caldo. I test di umidità confermano che gli SPD mantengono l'integrità dell'isolamento e non si degradano a causa dell'esposizione all'umidità in ambienti con condensa.

UL 1449 Standard nordamericani

La norma UL 1449 stabilisce i requisiti nordamericani per i test e gli elenchi degli SPD per le applicazioni in corrente alternata e in corrente continua. La quarta edizione (UL 1449 Ed.4) include requisiti migliorati per gli SPD in corrente continua utilizzati negli impianti fotovoltaici, che riflettono la rapida crescita delle installazioni solari. Gli SPD elencati nella UL 1449 hanno superato test che verificano le prestazioni elettriche, la sicurezza antincendio e il funzionamento affidabile in condizioni specifiche.

I test sul grado di protezione dalla tensione misurano la tensione di bloccaggio effettiva a livelli di corrente standardizzati utilizzando forme d'onda specifiche. Questi test verificano che gli SPD limitino la tensione secondo le specifiche VPR dichiarate. La UL 1449 richiede anche test di sovratensione temporanea (TOV), in cui gli SPD devono resistere a sovratensioni sostenute che potrebbero verificarsi a causa di guasti a terra o malfunzionamenti del sistema senza incendiarsi o creare rischi di scosse.

Il test della corrente di cortocircuito (SCCR) verifica che gli SPD siano in grado di resistere alla massima corrente di guasto disponibile nella loro posizione di installazione senza esplodere o creare rischi di arco elettrico. Questo test di sicurezza si rivela fondamentale in quanto gli SPD che falliscono in un cortocircuito possono creare condizioni estremamente pericolose con correnti disponibili che raggiungono le decine di migliaia di ampere negli impianti solari. Solo gli SPD che superano con successo il test SCCR ricevono la certificazione UL.

I malintesi più comuni sui DSP

Un maggior numero di SPD significa sempre una migliore protezione

Molti installatori ritengono che l'installazione di SPD in ogni posizione possibile garantisca la massima protezione, indipendentemente dai valori nominali o dal coordinamento degli SPD. Tuttavia, una scelta o una collocazione non corretta degli SPD può in realtà peggiorare la protezione creando loop di terra, introducendo disturbi o causando guasti al coordinamento degli SPD, dove i dispositivi combattono tra loro durante gli eventi di sovratensione.

Una protezione efficace utilizza tipi di SPD appropriati in posizioni strategiche piuttosto che la massima quantità. Un sistema ben progettato potrebbe avere SPD di tipo 1 sui combinatori di array e sul sezionatore principale, oltre a SPD di tipo 2 su ogni inverter, per un totale di quattro-sei SPD per una tipica installazione residenziale. L'installazione di SPD aggiuntivi a ogni scatola di giunzione o sezionatore non migliora la protezione e aggiunge costi inutili, creando potenzialmente problemi.

La qualità e la corretta installazione di un numero ridotto di SPD supera la quantità di dispositivi mediocri mal posizionati. Due SPD correttamente classificati, con una messa a terra corretta e una lunghezza minima dei conduttori, forniscono una protezione superiore a quella di una dozzina di SPD con classificazioni inadeguate, lunghe connessioni a terra o un coordinamento improprio. Concentratevi sulle specifiche e sull'installazione degli SPD piuttosto che sulla massimizzazione del numero di SPD.

Gli SPD forniscono una protezione completa dai fulmini

Gli SPD sono solo un componente di una protezione completa contro i fulmini, non sono soluzioni autonome che proteggono da tutti i rischi di fulminazione. Gli SPD proteggono dalle sovratensioni che si manifestano sui conduttori elettrici, ma non impediscono l'attacco diretto dei fulmini alle apparecchiature o alle strutture. Una protezione completa contro i fulmini richiede sistemi esterni di protezione contro i fulmini (terminali aerei, calate, elettrodi di messa a terra) che lavorino insieme alla protezione SPD.

I fulmini che colpiscono gli array possono distruggere moduli, racking e componenti strutturali attraverso forze meccaniche, calore estremo e onde d'urto, indipendentemente dalla protezione elettrica. Gli SPD non possono prevenire questi danni: proteggono solo le apparecchiature elettriche dalle sovracorrenti e dalle tensioni che si propagano attraverso i conduttori. Le località con un'esposizione estrema ai fulmini possono necessitare di LPS esterni che intercettino i fulmini prima che raggiungano le apparecchiature fotovoltaiche.

Una messa a terra e un collegamento adeguati sono altrettanto importanti per la protezione degli SPD. Anche i migliori SPD non riescono a proteggere adeguatamente le apparecchiature quando le connessioni di terra introducono un'impedenza eccessiva o gli elettrodi di terra multipli creano correnti circolanti. Una protezione completa integra SPD, protezione esterna contro i fulmini, messa a terra adeguata e posizionamento delle apparecchiature in sistemi coordinati che affrontano tutti i vettori di minaccia.

La tensione nominale più alta è sempre migliore

Alcuni installatori ritengono che gli SPD con tensioni nominali più elevate garantiscano una protezione migliore, scegliendo dispositivi da 1500 V per sistemi da 600 V, secondo il ragionamento “più è meglio”. Tuttavia, valori di tensione troppo elevati possono effettivamente ridurre l'efficacia della protezione. La tensione di bloccaggio degli SPD varia all'incirca in base alla tensione nominale: gli SPD da 1500V bloccano in genere circa 2500-3000V, mentre i dispositivi da 600V bloccano a 1200-1500V. L'uso di SPD sovrastimati lascia le apparecchiature esposte a tensioni di bloccaggio inutilmente elevate.

La corretta selezione dei valori nominali degli SPD corrisponde ai requisiti di tensione del sistema con un margine di sicurezza adeguato. Per un sistema da 600 V nominali con 720 VOC massimi, selezionare SPD da 800-1000 V CC che offrano un margine adeguato al di sopra della tensione del sistema, riducendo al minimo la tensione di serraggio. Il valore nominale di 1000 V offre un margine confortevole, mentre il valore nominale di 1500 V non offre alcun vantaggio e peggiora la protezione attraverso un serraggio più elevato.

Il criterio di selezione corretto è l'MCOV, non la tensione nominale massima dell'SPD. Selezionare gli SPD in cui MCOV supera la tensione massima del punto di alimentazione del sistema di 10-20%, quindi verificare che VPR rimanga ben al di sotto della tensione di resistenza dell'apparecchiatura. Questo approccio garantisce che gli SPD non si attivino erroneamente durante il normale funzionamento, fornendo al contempo un bloccaggio ottimale durante gli eventi di sovratensione.

Domande frequenti

Cosa significa SPD nei sistemi solari?

SPD è l'acronimo di Surge Protection Device (dispositivo di protezione dalle sovratensioni), un dispositivo che limita le sovratensioni transitorie e devia le correnti di sovratensione proteggendo le apparecchiature solari fotovoltaiche dai fulmini e dai transitori di commutazione. Il termine “SPD” è stato standardizzato nei codici e negli standard elettrici internazionali, sostituendo termini più vecchi come soppressore di sovratensione o TVSS (transient voltage surge suppressor). Gli SPD DC progettati specificamente per le applicazioni solari devono avere valori di tensione DC adeguati alla tensione dell'impianto e devono essere sottoposti a test secondo gli standard IEC 61643-31 o UL 1449, che riguardano i requisiti di protezione dalle sovratensioni fotovoltaiche.

Qual è la differenza tra la protezione contro le sovratensioni MOV e GDT?

I varistori a ossido metallico (MOV) utilizzano una ceramica di ossido di zinco dipendente dalla tensione che conduce quando la tensione supera la soglia, fornendo una risposta rapida (nanosecondi) e un bloccaggio prevedibile adatto alla maggior parte delle applicazioni solari. I tubi a scarica di gas (GDT) utilizzano gas ionizzanti per condurre la corrente di sovratensione, offrendo una gestione della corrente molto elevata e una degradazione minima, ma una risposta più lenta (microsecondi). I MOV funzionano bene per la protezione delle apparecchiature finali che richiedono una risposta rapida, mentre i GDT eccellono nella protezione primaria che gestisce le sovracorrenti ad alta energia all'origine del campo. Molti SPD di qualità superiore utilizzano progetti ibridi che combinano entrambe le tecnologie.

Come faccio a sapere se il mio impianto solare ha bisogno di SPD DC?

La norma NEC 690.35(A) impone l'uso di SPD CC quando i conduttori del circuito superano i 2 metri (6,6 piedi) dal campo fotovoltaico all'apparecchiatura, coprendo praticamente tutti gli impianti solari ad eccezione dei sistemi a microinverter. Al di là dei requisiti del codice, qualsiasi sistema con array esposti sul tetto, conduttori che attraversano gli edifici o apparecchiature di valore giustifica la protezione con SPD. I danni causati dai fulmini costano migliaia di euro per la sostituzione delle apparecchiature e la perdita di produzione: una protezione SPD che costa centinaia di euro si rivela un'assicurazione vantaggiosa. Le regioni ad alta esposizione ai fulmini traggono particolare vantaggio da una protezione SPD completa in più punti del sistema.

È possibile utilizzare dispositivi di protezione dalle sovratensioni in corrente alternata sui circuiti solari in corrente continua?

Non utilizzare mai SPD solo in corrente alternata in applicazioni solari in corrente continua. La protezione contro le sovratensioni in CA si basa sugli incroci naturali di corrente zero per estinguere gli archi che mancano ai sistemi in CC. Gli SPD classificati per la corrente alternata si guasteranno in modo catastrofico nel servizio in corrente continua, causando potenzialmente incendi o creando rischi di scosse. Verificare sempre i valori di tensione CC indicati sulle etichette degli SPD prima di installarli negli impianti fotovoltaici. Gli SPD DC di qualità sono conformi alle norme IEC 61643-31 o UL 1449 e rispondono specificamente ai requisiti di protezione dalle sovratensioni DC, compresa una maggiore estinzione dell'arco per correnti DC sostenute.

Con quale frequenza è necessario sostituire gli SPD DC negli impianti solari?

Gli SPD di qualità con indicazione di stato dovrebbero essere ispezionati trimestralmente nelle zone ad alta esposizione o annualmente altrove, sostituendo quelli che mostrano indicazioni di guasto. Gli SPD senza indicatori visivi possono essere sostituiti ogni 5-7 anni nelle regioni ad alta esposizione ai fulmini o 10+ anni nelle aree moderate. I luoghi ad alta esposizione o i sistemi che subiscono più eventi di fulminazione possono richiedere una sostituzione più frequente. Sostituire gli SPD immediatamente dopo un fulmine vicino, anche senza danni visibili: le sollecitazioni potrebbero aver degradato i componenti al di sotto delle specifiche, rendendoli incapaci di proteggere dalle sovratensioni successive.

Di quale tensione nominale SPD ho bisogno per il mio impianto solare da 1000 V CC?

Per un sistema da 1000 V in corrente continua nominale è necessario calcolare la tensione massima a circuito aperto con correzione della temperatura in base alla norma NEC 690.7, che in genere dà come risultato 1150-1200 V. Scegliere SPD in cui la tensione massima di funzionamento continuo (MCOV) superi di 10-20% la tensione massima del punto di potenza, in genere 1000-1100V MCOV per sistemi a 1000V. La tensione nominale complessiva dell'SPD dovrebbe essere di 1200-1500 V CC, con un margine superiore al VOC massimo. Verificare che la tensione di protezione (VPR) rimanga al di sotto della tensione di resistenza dell'apparecchiatura, tipicamente 2000V per gli inverter. Ciò consente di evitare false attivazioni durante il normale funzionamento e di garantire un adeguato bloccaggio delle sovratensioni.

Gli SPD basati su MOV si degradano nel tempo anche in assenza di sovratensioni?

Sì, i MOV presentano un degrado graduale dovuto a sollecitazioni continue di tensione, anche in assenza di grandi sovratensioni. Il funzionamento in prossimità della massima tensione operativa continua (MCOV) accelera il degrado, così come la temperatura elevata. Ogni piccola sovratensione o transitorio di tensione danneggia in modo incrementale la struttura dell'ossido di zinco, riducendo lentamente la soglia di tensione. Gli SPD di qualità includono sezionatori termici o fusibili che isolano i MOV guasti prima che si sviluppi il rischio di incendio. Questo degrado rende importante l'ispezione periodica e la sostituzione proattiva: gli SPD perdono efficacia prima di mostrare segni evidenti di guasto. La scelta di un MCOV appropriato, con un margine adeguato al di sopra della normale tensione di funzionamento, riduce al minimo il tasso di degrado e prolunga la vita utile.

Risorse correlate

La comprensione dei fondamenti degli SPD DC fornisce le basi per una corretta progettazione e installazione del sistema di protezione dalle sovratensioni.

Per saperne di più sulle applicazioni e sull'installazione degli SPD, consultate le nostre guide complete:

– SPD DC per sistemi solari - Completare la selezione e il coordinamento dell'SPD
– Protezione solare dai fulmini - Progettazione completa del sistema di protezione
– Protezione del circuito CC - Coordinamento degli SPD con la protezione da sovracorrente
– Messa a terra del sistema fotovoltaico - Messa a terra adeguata per l'efficacia dell'SPD

Siete pronti a implementare una protezione SPD CC efficace per il vostro impianto solare? Il team tecnico di SYNODE fornisce una guida esperta sulla selezione dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni, sulle decisioni relative alla tecnologia MOV rispetto a quella GDT e sulle pratiche di installazione corrette. Contribuiamo a garantire una protezione completa che soddisfi NEC 690.35 ottimizzando al contempo l'efficacia della protezione e l'economia del sistema.

Contattate i nostri ingegneri applicativi per l'assistenza sulle specifiche degli SPD CC e per i servizi di progettazione dei sistemi di protezione dai fulmini.

Ultimo aggiornamento: Ottobre 2025
Autore: Team tecnico SYNODE
Recensito da: Dipartimento di ingegneria elettrica