Tipi e applicazioni degli interruttori automatici per impianti solari: una guida completa

Introduzione

Nella progettazione di un moderno impianto solare, l'enfasi è spesso rivolta alla produzione di energia, all'efficienza dei pannelli e ai tassi di conversione degli inverter. Tuttavia, la sostenibilità economica e operativa di qualsiasi impianto solare si basa sulle sue misure di protezione. L'interruttore automatico per la sicurezza dell'impianto solare è il fulcro di questa architettura di sicurezza, garantendo tranquillità ai proprietari dell'impianto.

Un impianto solare non è solo un generatore, è una centrale elettrica a corrente continua (CC) ad alta tensione, installata su tetti residenziali o in aree industriali. I requisiti di protezione aumentano con la capacità del sistema. La necessità di una protezione efficace è ovunque, che si tratti della protezione dei circuiti in un... PV scatola combinatrice in cui viene concentrata la potenza, oppure il controllo delle uscite multiple nei quadri di carico CC in cui i proprietari di casa utilizzano direttamente la corrente continua.

I pericoli di questa trasmissione in corrente continua, ovvero archi elettrici prolungati e rischi elettrici, non sono gli stessi delle normali reti in corrente alternata. Pertanto, la scelta della protezione del circuito – per ogni soluzione, che si tratti di quadri di distribuzione o di distribuzione principale – non è una scelta accessoria e superficiale, ma un importante calcolo ingegneristico.

Questa guida esamina attentamente i tipi di interruttori automatici solari, il loro utilizzo specifico nella topologia del sistema fotovoltaico e il modello matematico necessario per dimensionarli correttamente.

Che cos'è un interruttore automatico del sistema solare?

Un interruttore automatico per impianti solari è un dispositivo di protezione automatico utilizzato per proteggere i circuiti elettrici da danni dovuti a sovraccarico o cortocircuito causati da sovracorrente. Un interruttore automatico è un dispositivo di commutazione durevole, a differenza di un semplice fusibile che funziona una sola volta e deve essere sostituito. Può essere riavviato (manualmente o automaticamente) per riprendere il normale funzionamento dopo la risoluzione di un errore.

Un interruttore automatico CC ha due scopi principali nel caso specifico del fotovoltaico (FV):

• Isolamento e commutazione: Offre un punto di disconnessione manuale, che consente al personale di manutenzione di isolare in modo sicuro il PV array, banchi di batterie o inverter solari per la manutenzione senza il rischio di tensione in tensione. Ciò è particolarmente importante nei sistemi che utilizzano inverter con isolamento tramite trasformatore. In questi progetti, gli standard ingegneristici richiedono solitamente un interruttore CC bipolare con una capacità di limitazione della corrente di almeno 1.25 volte la corrente di cortocircuito (Isc) dell'impianto solare. PV array e 1.2 volte la tensione a circuito aperto (Voc) del solare PV Vettore.
• Protezione da sovracorrente: È uno scudo termico e magnetico. Quando la corrente che scorre nel circuito supera la corrente nominale a causa di un guasto o di un errore di cablaggio, l'interruttore automatico scatta, interrompendo il circuito per garantire che l'isolamento del filo non si fonda e che l'apparecchiatura non subisca guasti disastrosi.

C'è bisogno di distinguere tra un Isolatore CC e un interruttore automatico CC. Sebbene un sezionatore possa essere utilizzato per interrompere il circuito e mantenerlo, non fornisce necessariamente una protezione automatica da sovracorrente. Un interruttore automatico offre l'isolamento richiesto, come menzionato sopra, e una protezione attiva dai guasti.

Interruttore automatico del sistema solare vs. interruttore CA normale: perché la distinzione è importante

La sostituzione degli interruttori a corrente alternata (CA) con quelli a corrente continua (CC) è uno degli errori più diffusi e pericolosi nell'installazione di impianti solari. Questi dispositivi appaiono simili a un occhio inesperto, ma si trovano in realtà radicalmente diverse per un fisico o un ingegnere elettrico.

La differenza più importante è il fenomeno dello Zero-Crossing.

• La realtà AC: La corrente alternata inverte la polarità 50 o 60 volte al secondo (Hertz). In questo ciclo, la tensione viene ridotta a zero volt 100 o 120 volte al secondo. Quando un interruttore CA scatta e si crea un arco elettrico tra i contatti, questo punto di zero tensione si crea naturalmente e contribuisce a estinguere l'arco.
• Il pericolo DC: La corrente continua è una tensione continua senza passaggi per lo zero. Quando si tenta di aprire un circuito con corrente continua ad alta tensione, l'arco non si estingue. Piuttosto, si trasforma in un ponte al plasma di lunga durata, che produce un calore enorme (migliaia di gradi Celsius).

Quando un tipico interruttore CA viene utilizzato in un circuito solare CC, potrebbe non essere in grado di interrompere l'arco al momento dello scatto. Ciò causa la saldatura dei contatti, in cui i fusibili dell'interruttore si chiudono e non riescono ad aprire l'alimentazione, oppure causa la distruzione totale dell'alloggiamento dell'interruttore, che spesso provoca un incendio elettrico.

Pertanto, gli interruttori automatici solari CC sono progettati con sofisticate camere di estinzione dell'arco. Queste utilizzano bobine di soffiaggio magnetiche per allungare fisicamente l'arco e spingerlo in "cabine d'arco" dove viene suddiviso e raffreddato rapidamente. È una misura di sicurezza obbligatoria utilizzare un interruttore CC dedicato anziché affidarsi a un quadro elettrico con ingresso CA per i carichi CC.

Principali tipi di interruttori automatici per sistemi solari

La protezione solare è direttamente proporzionale alla densità energetica. Il mercato offre interruttori automatici di piccole dimensioni, da 15 A per l'uso in impianti residenziali, e quadri elettrici di potenza fino a 6000 A per l'uso in infrastrutture di pubblica utilità.

Sebbene funzionalmente, i tipi più comuni di interruttori automatici possono essere suddivisi in Standard, GFCI (guasto a terra) e AFCI (Arc Fault), ciascuno con una specifica funzione di protezione, gli ingegneri determinano la scelta principale in base alle dimensioni del sistema e alla progettazione fisica del dispositivo. La gerarchia hardware è suddivisa in tre ampie categorie strutturali:

Tipo di interruttore	Corrente nominale tipica	Tensione nominale	Capacità di rottura	Scenario applicativo primario
DC MCB	1A - 125A	Fino a 1000 V CC	Da basso a medio (ad esempio, 6 kA)	Tetti residenziali, PV Combinatori, protezione delle stringhe.
DC MCCB	63A - 1600A	Fino a 1500 V CC	Alto (20kA – 50kA)	Pannelli solari commerciali, inverter centrali, interruttore principale della batteria.
ACB / BESS	2000A - 6300A	Fino a 1500 V CC	Molto alto (vuoto/aria)	Parchi solari su scala industriale, accumulo di energia su scala di rete (BESS).

DC MCB (Interruttore automatico in miniatura)

Nelle applicazioni a corrente inferiore, l'interruttore automatico in miniatura CC (MCB) ha sostituito in gran parte i vecchi fusibili da 20 o 30 A utilizzati nelle vecchie installazioni di quadri paralleli. Queste unità sono progettate per essere piccole e hanno un design modulare progettato per essere montato su guide DIN standard, motivo per cui sono la scelta predefinita in PV Quadri elettrici combinatori e quadri di distribuzione residenziali.

• Ambito di ingegneria: MCBsono comunemente classificati per una corrente di 125 A e 1000 V CC.
• Meccanismo: Utilizzano un meccanismo di sgancio magnetotermico a due azioni. L'elemento termico viene utilizzato per gestire sovraccarichi lenti e di lunga durata, mentre l'elemento magnetico viene utilizzato per interrompere immediatamente la connessione in caso di cortocircuito ad alta corrente, per proteggere singole stringhe solari o gli ingressi degli inverter ibridi.

DC MCCB (Interruttore automatico in scatola stampata)

Una volta che l'amperaggio supera la gamma residenziale nei sistemi solari commerciali e nella gamma industriale (C&I), la restrizione di un MCB è raggiunto. In questo caso, l'interruttore automatico scatolato (MCCB) sarà lo standard richiesto. Queste unità sono molto più grandi e robuste, alloggiate in un robusto involucro isolante stampato e sono progettate per essere montate tramite bulloni per resistere alle forze meccaniche della commutazione ad alta potenza.

• Ambito di ingegneria: MCCBVengono utilizzati per eseguire sollevamenti pesanti e le potenze nominali sono solitamente comprese tra 63 A e 1600 A e con elevati poteri di interruzione (ad esempio, da 20 kA a 50 kA).
• Vantaggio: A differenza delle impostazioni fisse di un MCB, molti MCCBhanno impostazioni di intervento regolabili. Ciò consente agli ingegneri di regolare la curva di protezione in base alle caratteristiche del carico di grandi PV array o banchi di batterie, che rappresentano il principale elemento di disconnessione degli inverter centrali.

ACB e BESS Interruttori (alta tensione/industriali)

Gli interruttori automatici in aria (ACB) vengono utilizzati allo zenit dei servizi di pubblica utilità, che comprende centrali elettriche su larga scala e sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS), per controllare l'estremità superiore dello spettro DC. Non si tratta di semplici interruttori, ma di complessi sistemi di estinzione dell'arco elettrico con tecnologie ad aria compressa o a vuoto.

BESS Specializzazione: Gli interruttori ACB standard non sono sempre adeguati nel contesto dell'accumulo. Gli interruttori CC ad alta velocità sono necessari per superare le enormi correnti di cortocircuito che i rack di batterie agli ioni di litio possono generare. Queste unità devono rispondere in millisecondi per evitare disastrose fughe termiche.

Ambito di ingegneria: In grado di gestire migliaia di Ampere (2000A – 6300A).

Applicazioni: Dove installare l'interruttore automatico del sistema solare in PV Sistemi

Un solare PV Il sistema deve essere protetto in vari punti della logica del flusso di energia. Il posizionamento improprio degli interruttori o la mancanza di separazione tra i domini CA e CC espongono le parti vulnerabili del sistema. Pertanto, stabiliamo l'uso di interruttori automatici in quattro aree vitali.

PV Array Combiner Box (protezione di stringa)

Il quadro di collegamento è il primo punto di difesa nei sistemi multi-stringa in cui una combinazione di più stringhe di pannelli viene formata in un'unica uscita. Prima del consolidamento, un DC MCB dovrebbe essere installato all'estremità di ogni stringa. Questo posizionamento è essenziale in particolare per risolvere il problema della direzionalità esistente, come indicato nelle misure di sicurezza.

Quando una delle stringhe è in ombra o presenta un guasto, le altre stringhe possono forzare la corrente nella direzione opposta. Come accennato, il cambio di direzione accidentale causerebbe gravi problemi di sicurezza e danneggerebbe le celle solari. Sebbene un interruttore non direzioni attivamente la corrente, è una protezione necessaria contro queste pericolose correnti di feedback, che altrimenti causerebbero incendi e danni irreversibili ai moduli.

Protezione della batteria

Passando alla sezione di accumulo dell'energia, l'interfaccia tra il banco batterie e l'inverter/caricabatterie è la zona di trasporto di corrente più impegnativa dell'intero sistema. Questa sezione consente il massimo flusso di amperaggio e una forte corrente continua. MCCB o di alto livello MCB è richiesto.

Un interruttore è incluso non solo per proteggere i cavi della batteria ad alto spessore da fughe termiche causate da sovracorrenti, ma anche, forse ancora più importante, per offrire un metodo di disconnessione fisica sicuro. Questo isolamento consente al personale addetto alla manutenzione di lavorare sul banco batterie senza l'esposizione fatale alla tensione continua attiva.

Ingresso inverter principale (distribuzione CC)

La protezione dell'ingresso principale dell'inverter svolge il ruolo di gateway critico tra la generazione CC e la conversione CA. Questo interruttore è posizionato tra l'uscita del quadro elettrico e l'ingresso dell'inverter e funge da interruttore CC principale per l'intero lato di generazione. Non si limita a proteggere da sovracorrenti, ma protegge anche i sensibili componenti elettronici di potenza interni dell'inverter da sovratensioni esterne e fornisce un punto di isolamento centralizzato per l'intero sistema di distribuzione CC.

Distribuzione del carico CC (circuiti CC residenziali)

Infine, ci sono alcune applicazioni sul lato dei consumi, in particolare per i proprietari di case che utilizzano direttamente la corrente continua per raggiungere l'efficienza. Per rafforzare questo, gli installatori sono tenuti a installare quadri di distribuzione separati (scatole dei fusibili) con interruttori dedicati, che sono completamente diversi dal quadro a corrente alternata.

Ciò è necessario in situazioni in cui apparecchi come le lampade a LED dipendono dalla disponibilità costante di corrente continua per funzionare. Poiché questi dispositivi necessitano di un ambiente di alimentazione specifico, in questo caso gli interruttori automatici CC vengono utilizzati per proteggere questi carichi sensibili. Garantiscono che l'alimentazione sia mantenuta sotto controllo e che qualsiasi sovraccarico in un circuito di illuminazione venga isolato il prima possibile senza compromettere il sistema principale.

Considerare i fattori durante la scelta di un interruttore automatico del sistema solare

La scelta degli interruttori automatici nel solare PV I sistemi di protezione sono un campo di studio spesso trascurato a favore di opzioni basate su pannelli o inverter. Ma la disattenzione in questo caso si paga cara. Un interruttore mal scelto spesso si guasta a causa del derating termico, causando danni da surriscaldamento e, nel peggiore dei casi, l'incendio del sistema.

La scelta di un interruttore non è un gioco d'azzardo, ma una questione di adattamento delle specifiche alle condizioni di lavoro del sistema.

Valori di tensione e standard normativi

La tensione nominale dell'interruttore deve essere maggiore della tensione massima a circuito aperto (Voc) dell' PV array, ma alla temperatura più bassa prevista. Inoltre, la scelta deve essere in linea con la topologia dell'inverter e con gli standard di settore, tra cui UL508i e IEC60947-3.

• 600 V CC (UL508i): Questa è la specifica standard degli impianti residenziali che utilizzano inverter monofase.
• 1000 V CC (IEC60947-3): Installazione su tetto commerciale e inverter di stringa trifase standard.
• 1500 V CC: Lo standard attuale degli inverter centralizzati e dei grandi parchi solari. L'aumento della tensione riduce al minimo le perdite nei cavi, ma richiede interruttori con un migliore isolamento e una migliore gestione degli archi.

Configurazione dei pali vs. numero di stringhe

La configurazione dei poli è direttamente proporzionale al numero di stringhe nell'isolatore. Uno dei principi più importanti dell'isolamento in corrente continua è che tutti i conduttori attivi devono essere diseccitati contemporaneamente.

• 2P (due poli): Standard a stringa singola (con separazione sia positiva che negativa). Può essere utilizzato con i tipici inverter di stringa in cui un inseguitore del punto di massima potenza (MPPT) viene utilizzato come convertitore.
• 4P (Quattro poli): Ciò è necessario quando si utilizzano due stringhe contemporaneamente o in sistemi ad alta tensione (1000 V/1200 V). Nei sistemi ad alta tensione, i poli sono comunemente collegati in serie per dividere la tensione dell'arco tra diversi punti di contatto, consentendo a un piccolo interruttore di gestire il carico in sicurezza.

Resistenza ambientale e sicurezza dei materiali

L'impatto dell'ambiente di installazione è uno degli aspetti più importanti, solitamente assente nelle schede tecniche. Gli isolatori e gli interruttori solari non funzionano in sale server climatizzate, bensì in condizioni difficili.

• Range di temperatura: La temperatura di funzionamento normale degli interruttori CC robusti dovrebbe essere compresa tra -40 °C e 60 °C. Gli interruttori dovrebbero essere declassati quando le temperature ambiente sono superiori a questo intervallo per evitare scatti intempestivi.
• Standard di infiammabilità: Poiché il compito principale è prevenire gli incendi, il materiale dell'involucro deve essere ignifugo. Le specifiche devono essere rigorosamente conformi agli standard UL 94V-0 e UL 94V-2, in base ai quali la scatola dell'involucro deve essere autoestinguente in caso di guasto dei componenti interni.

Dimensionamento e calcolo (come calcolare gli ampere)

Secondo il National Electrical Code (NEC) e le migliori pratiche ingegneristiche generali, un interruttore non dovrebbe funzionare continuamente al 100% della sua potenza nominale.

La formula di calcolo:

Per determinare la potenza minima in ampere del tuo interruttore (Ibreaker), devi applicare fattori di sicurezza al PV Corrente di cortocircuito (Isc) dell'array.

Semplificato:

Esempio:

Se si dispone di una serie di pannelli con un Isc di 10A:

Dovresti arrotondare per eccesso alla dimensione standard più vicina, che corrisponderebbe a un interruttore CC da 20 A.

Perché Scegliere La BENY Interruttore

In un mercato inondato di componenti generici, BENY si propone come produttore specificamente focalizzato sulle complessità della protezione solare in corrente continua. La differenza non sta nel marketing, ma nel rigore ingegneristico.

Con oltre 30 anni di esperienza nel settore, BENY ingegneri interruttori del sistema solare che colmano il divario tra efficienza dei costi e resilienza di livello industriale. Le nostre soluzioni sono progettate per gestire l'intero spettro di PV esigenze, da sistemi da 12 V a 1500 V, che supportano correnti pesanti fino a 630 A con una perdita di energia minima.

La sicurezza è intrinseca alla nostra filosofia "Costruito per resistere". Ogni interruttore è dotato di barriere anti-arco avanzate e di una capacità di interruzione di 6 kA per neutralizzare istantaneamente i guasti. Risolviamo le sfide pratiche di installazione con un design non polarizzato che elimina gli errori di cablaggio e robusti involucri IP65 testati per funzionare in climi estremi da -40 °C a 85 °C.

Con una garanzia di 5 anni e supporto globale 24 ore su 24, 7 giorni su 7, selezionando BENY significa proteggere la tua infrastruttura con un partner impegnato a garantire sicurezza e longevità senza compromessi.

Conclusione

L'investimento fotovoltaico ha un protettore silenzioso, l'interruttore solare. Mentre i pannelli creano valore, gli interruttori lo mantengono. Il passaggio a sistemi commerciali ad alta tensione più complessi, rispetto ai semplici sistemi residenziali, richiede un cambiamento nel nostro atteggiamento nella selezione dei componenti.

Dovremmo smettere di considerare gli interruttori come semplici merci e iniziare a considerarli come importanti risorse di sicurezza. Per approfondire l'argomento, leggi La spina dorsale della sicurezza elettrica: interruttori automatici CC e la loro importanzaGli installatori possono garantire l'affidabilità dei sistemi tenendo conto delle specifiche leggi fisiche degli archi in corrente continua, mappando gli interruttori nelle rispettive aree di applicazione, come ad esempio dalle scatole di giunzione ai banchi di batterie, e considerando rigorosi standard ambientali e valori nominali di corrente.

Gli interruttori automatici sono la protezione di alto profilo di cui molti sistemi necessitano. Se si rispettano le corrette istruzioni di cablaggio, le misure di sicurezza e la manutenzione, garantiscono la lunga durata del pannello fotovoltaico.

Per gli individui che desiderano soluzioni di protezione DC robuste, certificate e progettate, BENY offre l'hardware di cui hanno bisogno per costruire i sistemi solari di domani, in modo sicuro ed efficiente.

FAQS

D: Che tipo di interruttore automatico viene utilizzato per i pannelli solari?

A: È necessario utilizzare un interruttore specializzato per la protezione dei pannelli solari, in genere un interruttore automatico CC. Non utilizzare gli interruttori CA standard per uso domestico. L'elettricità CC crea archi elettrici continui che sono più difficili da estinguere rispetto alla corrente alternata. Gli interruttori solari (come quelli CC) MCBs o MCCBs) sono dotati di specifici scivoli d'arco e meccanismi magnetici progettati per interrompere in modo sicuro questi archi CC ad alta tensione e prevenire gli incendi.

D: Ho bisogno di un interruttore tra il pannello solare e l'inverter?

A: Sì. Le serrature scorrevoli portatili e i catenacci a superficie possono essere usati per mettere in sicurezza una porta a scomparsa dall'esterno. Alcuni kit con catena di sicurezza consentono anche il bloccaggio esterno con chiave o manopola girevole. È necessario un interruttore automatico del pannello solare (o sezionatore CC) tra il PV array e l'inverter. Svolge due funzioni essenziali: protegge l'ingresso dell'inverter da sovratensioni o cortocircuiti e fornisce un punto di disconnessione fisica sicuro per consentire al personale addetto alla manutenzione di intervenire sul sistema senza maneggiare cavi sotto tensione.

D: Dove posizionare un interruttore in un impianto solare?

A: Gli interruttori devono essere installati in tre zone di protezione critiche:

• Quadro di distribuzione CC: Per proteggere carichi CC come luci LED o pompe.
• PV Scatola combinatrice: Per proteggere le singole stringhe solari dalla corrente inversa.
• Banco batteria: Tra la batteria e l'inverter (di solito è l'interruttore più grande).