Cavi elettrici e cablaggi: Guida alla progettazione di un Impianto Fotovoltaico pt. 8

I sistemi fotovoltaici, conosciuti anche come sistemi di energia solare, rappresentano una soluzione sostenibile per la produzione di elettricità sia in ambito residenziale che commerciale. Un cablaggio corretto è essenziale per assicurare un funzionamento efficiente e sicuro di un impianto fotovoltaico.

In questa guida Blumatica forniremo le istruzioni necessarie per cablare correttamente un sistema fotovoltaico. Prima di iniziare l’installazione pratica, è cruciale pianificare il layout elettrico dell’impianto. Questo include la determinazione delle posizioni dei pannelli solari, del regolatore di carica, del banco batterie e dell’inverter, oltre al tracciato di cavi e fili.

Se non vengono implementati correttamente, i componenti del cablaggio e la gestione dei cavi possono diventare un vero e proprio punto debole del sistema, riducendone l’efficienza, limitandone la disponibilità, aumentando i rischi per la sicurezza e incrementando i costi di installazione e operativi.

Caratteristiche, identificazione e marcatura dei cavi elettrici

In questo paragrafo esaminiamo gli aspetti generali riguardanti le varie tipologie costruttive dei cavi elettrici, nonché i metodi di identificazione e marcatura correlati.

Elementi costitutivi dei cavi

I cavi elettrici sono composti da due o più combinazioni dei seguenti componenti:

Conduttore

Un filo o una corda di metallo, solitamente rame o alluminio, progettato per condurre la corrente elettrica, conforme alla Norma CEI EN 60228. È importante notare che il conduttore in alluminio ramato non è riconosciuto da nessuna normativa nazionale CEI, europea CENELEC o internazionale IEC.

Isolante

Involucro di materiale dielettrico posto sul conduttore e destinato a sopportare la tensione elettrica.

Anima

Il conduttore e il suo isolante, considerati insieme come una parte costitutiva del cavo.

Riempitivo

Un materiale che non aderisce allo strato sottostante, permettendo una facile separazione delle anime nei cavi multipolari e riempiendo gli spazi tra le anime e le guaine. Questo materiale deve essere compatibile con l’isolante e altri materiali senza causare danni, e deve distinguersi dallo strato superiore.

Schermo

Un rivestimento di materiale metallico, come rame o alluminio, applicato sulla superficie esterna dell’isolante o attorno all’insieme delle anime cordate. Il suo scopo è confinare il campo elettrico generato dai conduttori e proteggere il cavo da interferenze elettromagnetiche esterne. I tipi di schermi più comuni sono costituiti da fili, nastri, trecce o calze. Gli schermi possono essere suddivisi in:

• Schermi elettrostatici: realizzati con sottili nastri di rame o alluminio.
• Schermi elettromagnetici: costituiti da calze di fili sottili di rame o da nastri di rame più spessi rispetto a quelli degli schermi elettrostatici.

Armatura

Un rivestimento protettivo metallico che forma una struttura regolare e uniforme senza eccessivi interstizi o sovrapposizioni, con la funzione principale di protezione meccanica.

Guaina

Un rivestimento protettivo non metallico continuo, aderente all’insieme delle anime, che protegge il cavo da azioni meccaniche non particolarmente intense e, a volte, da agenti esterni.

 

 

Sistema di designazione

A livello normativo, sia a livello nazionale che internazionale, sono stati sviluppati sistemi di designazione che, mediante l’uso di specifici caratteri alfanumerici, permettono l’identificazione univoca del cavo.

Per quanto riguarda il sistema di designazione nazionale, la Norma CEI UNEL 35011 specifica la sigla del cavo utilizzando simboli che rappresentano le diverse parti che lo compongono. Prima di tutto, è importante indicare il numero e la sezione dei conduttori, la loro natura e flessibilità, il tipo di isolante, la composizione e la forma dei cavi, nonché eventuali rivestimenti metallici. Successivamente, occorre specificare la tensione nominale, la norma di riferimento e la classe di reazione al fuoco secondo il regolamento CPR.

Classe dei cavi

I cavi sono stati classificati in sette classi di Reazione al Fuoco: A_ca, B1_ca, B2_ca, C_ca, D_ca, E_ca, e F_ca, identificate dal pedice «ca» in base alle loro prestazioni decrescenti.

 

Ogni classe stabilisce soglie minime per il rilascio di calore e la propagazione della fiamma. Oltre alla classificazione principale, vengono utilizzati i seguenti parametri aggiuntivi:

• s: Opacità dei fumi, che varia da s₁ a s₃ con prestazioni decrescenti.
• d: Gocciolamento di particelle incandescenti che possono propagare l’incendio, variando da d₀ a d₂ con prestazioni decrescenti.
• a: Acidità dei fumi, che definisce la pericolosità per le persone e la corrosività per gli oggetti, variando da a₁ a a₃ con prestazioni decrescenti.

Marcatura dei cavi

Sull’isolante o sulla guaina, i cavi per energia a bassa tensione devono riportare alcune indicazioni tecnico-amministrative obbligatorie per conformarsi alle normative e leggi vigenti:

• Identificazione di origine, comprendente il nome del costruttore, il marchio di fabbrica o, se legalmente protetto, il numero distintivo.
• Descrizione del prodotto mediante la sigla di designazione.
• Eventuale classe di reazione al fuoco.
• Marcatura CE.

Inoltre, i cavi possono essere marcati con ulteriori elementi:

• Marchi di certificazione volontaria.
• Anno di produzione.
• Informazioni richieste da altre normative relative al prodotto.
• Informazioni aggiuntive a discrezione del costruttore, purché non confliggano né confondano le altre marcature obbligatorie.
• Marcatura metrica facoltativa.

Parametri fondamentali per la scelta dei cavi

I cavi impiegati in un impianto fotovoltaico devono essere capaci di resistere per l’intera durata dell’impianto (20-25 anni). La selezione del cavo per una specifica installazione o posa deve basarsi principalmente sui seguenti criteri:

• Tensione di esercizio e tensione nominale
• Portata di corrente
• Tipi di posa
• Condizioni ambientali
• Condizioni particolari di incendio

Tensione di esercizio e tensione nominale

Per selezionare la tensione di isolamento nominale di un cavo da utilizzare in un sistema elettrico, considerando la tensione presente nel sistema stesso, è necessario valutare diversi parametri. Questi includono le caratteristiche del sistema (monofase, trifase), la frequenza, la tensione nominale e la tensione massima del sistema.

Ogni tipo di cavo elettrico, che sia a bassa, media o alta tensione, è definito da tre tensioni principali:

• U₀ = Tensione nominale d’isolamento a frequenza industriale, in kV efficaci, tra un qualsiasi conduttore isolato e la terra.
• U = Tensione nominale di isolamento a frequenza industriale, in kV efficaci, tra due qualsiasi conduttori isolati all’interno del cavo.
• U_m = Tensione massima che può verificarsi nel sistema alla frequenza di esercizio tra due conduttori di fasi differenti.

La tensione U_m può raggiungere il suo valore massimo in qualsiasi momento e in qualsiasi punto del sistema durante il normale funzionamento, senza considerare variazioni temporanee come guasti o stacchi improvvisi di carichi significativi. Di conseguenza, U_m rappresenta la massima tensione operativa del cavo.

Per specificare un cavo dal punto di vista dell’isolamento, è necessario dichiarare almeno le tensioni U₀ e U (ad esempio, 450/750 V o 0,6/1 kV).

È essenziale che i cavi abbiano una tensione nominale adeguata a quella dell’impianto. In corrente continua, la tensione dell’impianto non deve superare del 50% la tensione nominale dei cavi per impieghi in corrente alternata. Viceversa, in corrente alternata, la tensione dell’impianto non deve superare la tensione nominale dei cavi.

Corrente alternata (V)	Corrente continua (V)
300/500	450/750
450/750	675/1125
600/1000	900/1500

Calcolo della caduta di tensione

Il calcolo della caduta di tensione segue la normativa CEI UNEL 35023 e dipende dal tipo di isolamento (EPR o PVC), dal tipo di cavo (unipolare o multipolare), dalla sezione e lunghezza del cavo, dal tipo di impianto (monofase o trifase) e dalla corrente che lo attraversa (continua o alternata). La formula utilizzata è:

ΔV = (ΔU * L * I)/1000

ΔV = è la caduta di tensione in volt.

ΔU = è la caduta di tensione specifica del cavo in volt per ampere per metro.

L = è la lunghezza del cavo in metri.

I = è la corrente che attraversa il cavo in ampere.

Portata di corrente

Il calcolo della portata, sia per cavi con conduttori in rame che in alluminio, si basa principalmente sulle direttive della normativa CEI UNEL, specialmente sulle Norme 35024 e 35026 per le situazioni più comuni.

La portata di un cavo dipende principalmente dalla sua capacità di dissipare il calore generato per effetto joule durante il passaggio della corrente. La sezione di ciascun conduttore del cavo deve essere tale che possa sopportare la massima corrente di utilizzo normale senza surriscaldarsi. La temperatura massima a cui si riferisce la capacità di trasporto di corrente di un cavo non deve superare quella appropriata per il tipo di isolamento utilizzato.

Calcolo della portata I_z (A) di un cavo in una specifica condizione di installazione

Secondo la norma CEI UNEL 35024/1, la portata si ricava utilizzando la seguente formula:

I_z = I₀ * k₁ * k₂

I₀ = Portata in aria a 30°C, dipendente dalla sezione del cavo, dal tipo di impianto (monofase, trifase), dal tipo di isolamento (EPR o PVC), dal metodo di installazione (unipolare o multipolare).

k₁ = Fattore di correzione per una temperatura ambiente diversa da 30°C in funzione del tipo di isolamento (EPR o PVC).

k₂ = Fattore di correzione per più circuiti in fascio o strato, valore tabellato in funzione del tipo di posa e numero di circuiti/cavi.

Secondo la norma CEI UNEL 35026, si ricava la portata applicando la seguente formula:

I_z = I₀ * k₁ * k₂ * k₃ * k₄ 

 I₀ = Valore di portata tabellato dipendente dalla sezione del cavo, dal tipo di impianto (monofase, trifase), dal tipo di isolamento (EPR o PVC), dal metodo di installazione (unipolare o multipolare).

k₁ = Fattore di correzione per una temperatura per la temperatura del terreno diversa da 20°C, con valore tabellato in base al tipo di isolamento (EPR o PVC).

k₂ = Fattore di correzione per gruppi di più circuiti installati sullo stesso piano. Valore tabellato in funzione della distanza fra i circuiti e numero cavi/circuiti.

k₃ = Fattore di correzione per differenti valori di profondità di posa. Valore tabellato in funzione della profondità di posa.

k₄ = Fattore di correzione per differenti valori di resistività termica del terreno. Valore tabellato in funzione di cavi unipolari e multipolari.

Tipi di posa

Un aspetto aggiuntivo da considerare nella scelta di un cavo riguarda il tipo di posa. A seconda del tipo di conduttore, isolamento e/o guaina, i cavi possono essere progettati per posa fissa o mobile.

Nel caso della posa fissa, i cavi possono avere un conduttore rigido o flessibile e, una volta installati, non subiscono movimenti significativi (come posa in tubi, canali o su passerelle). Nel caso della posa mobile, invece, i cavi sono dotati di un conduttore flessibile o estremamente flessibile e vengono utilizzati in applicazioni che richiedono movimenti continui.

Posa in aria

I cavi per bassa tensione sono utilizzati per posa in tubi, canali o su passerelle. Se è necessario installare cavi di diversi sistemi di tensione nello stesso cavidotto, tutti i cavi devono avere la stessa classe di tensione del cavo con la tensione di sistema più alta. In alternativa, il cavo può avere una guaina esterna e una tensione U₀/U di 450/750 V se la tensione del sistema è di 300/500 V.

Posa interrata

I cavi per bassa tensione con tensione nominale di 0,6/1 kV possono essere impiegati anche per la posa interrata. In questo caso, i cavi interessati possono essere utilizzati senza protezione aggiuntiva oppure possono essere interrati direttamente con protezione.

Condizioni ambientali

La selezione del cavo deve essere adeguata al tipo di ambiente in cui sarà utilizzato. Le condizioni ambientali possono variare ampiamente e devono essere attentamente considerate.

Esposizione all’acqua

I cavi elettrici non sono adatti per essere installati direttamente in acqua. Tuttavia, è importante prevenire la condensa o la penetrazione dell’acqua nei tubi in cui i cavi sono posati, utilizzando adeguate misure di installazione o dispositivi di drenaggio. In questo modo si evita che i cavi rimangano costantemente immersi.

Ad esempio, per prevenire la penetrazione dell’acqua, si può inclinare adeguatamente l’estremità finale dei tubi o sigillare lo spazio libero tra i cavi e le pareti interne dei tubi o dei condotti. L’acqua può penetrare negli isolanti, causando rigonfiamenti del materiale isolante e riducendo significativamente il livello di isolamento. Inoltre, se si mescola con sporco, può provocare corrosione e/o elettrolisi. La presenza di elevata umidità combinata con variazioni di temperatura può portare alla formazione di condensa, danneggiando gravemente i componenti elettrici.

Esposizione ad ambiente corrosivo o inquinato

I cavi che sono dotati di una guaina protettiva sono naturalmente resistenti a molte sostanze corrosive e inquinanti, e in alcune formulazioni specifiche, anche ai solventi.

Queste sostanze possono causare rigonfiamenti delle guaine che ne compromettono la resistenza meccanica. In tali situazioni, la capacità delle sostanze di danneggiare i materiali della guaina e dell’isolamento suggerisce l’adozione di una barriera metallica applicata sotto la guaina stessa. Questo aiuta a preservare almeno la funzionalità elettrica del cavo.

Alternativamente, si possono utilizzare guaine che sono appositamente rinforzate per resistere meglio a queste sostanze corrosive.

La presenza di gas, nebbie e vapori come sali marini, cloro, acidi, ossidi, ammoniaca, ozono, eccetera, può creare condizioni di corrosione, soprattutto in presenza di elevata umidità relativa e calore. Queste condizioni possono ridurre la resistenza superficiale degli isolanti, causare l’ossidazione del rame e aumentare la resistenza nei punti di contatto.

Esposizione alla presenza di flora e fauna

Quando si prevede la presenza di flora, è essenziale scegliere e installare i cavi in modo da minimizzare il rischio di danni. È importante proteggersi dagli effetti meccanici causati dal crescere delle radici, dagli effetti isolanti termici dovuti a depositi vegetali o al loro ricoprimento, e anche dagli effetti corrosivi derivanti dalle sostanze rilasciate dalle piante.

Nel caso in cui si preveda la presenza di fauna, è fondamentale selezionare e posizionare i cavi in modo da ridurre al minimo la possibilità di danneggiamenti. Se è probabile la presenza di roditori o termiti, i cavi devono essere protetti mediante un rivestimento metallico o un materiale che sia resistente al loro attacco.

 Esposizione in ambienti ad alta e bassa temperatura

I cavi non devono essere posati in ambienti dove la temperatura potrebbe superare la massima temperatura di esercizio prevista per i cavi stessi. Le connessioni ai dispositivi non devono, durante il normale funzionamento, raggiungere temperature superiori ai limiti ammissibili per il tipo di cavo utilizzato. Nel caso in cui ciò non sia tecnicamente evitabile, è necessario scegliere un cavo con specifiche diverse oppure proteggere l’isolamento del cavo all’estremità con materiali isolanti idonei a resistere alle temperature previste, per una lunghezza adeguata.

L’esposizione dei cavi a temperature basse in ambienti statici riguarda principalmente l’installazione in aria, dato che nelle regioni temperate la temperatura del terreno, anche durante le condizioni invernali più severe, di norma non raggiunge livelli critici per gli isolanti e i rivestimenti protettivi dei cavi trattati in questa guida.  In condizioni statiche e senza un carico elettrico o meccanico significativo, gli isolanti e i rivestimenti protettivi non metallici dei cavi possono subire tensioni dovute alla loro contrazione a basse temperature. Queste condizioni generalmente comportano una riduzione delle caratteristiche meccaniche, come la resistenza e l’allungamento alla rottura.

 Esposizione alle radiazioni solari, ionizzanti, all’ozono o a correnti vaganti

Quando i cavi sono installati in aria e esposti alla luce solare, possono verificarsi danni che compromettono la guaina e di conseguenza l’isolamento del cavo stesso.

L’energia solare riscalda la superficie del cavo, il che influisce significativamente sul calcolo della capacità di conduzione del cavo, riducendola notevolmente. Per mitigare il rischio di crepe, i cavi destinati all’uso esterno spesso sono dotati di una guaina di colore nero che offre una maggiore resistenza alle radiazioni solari.

L’irraggiamento solare, soprattutto quando diretto, non solo provoca una perdita significativa della capacità di conduzione, ma influenza anche la scelta del materiale e del colore della guaina a causa della componente ultravioletta della luce solare.

I cavi esposti a radiazioni ionizzanti, devono essere isolati e rivestiti con materiali che possano sopportare le dosi di radiazioni previste, al fine di prevenire crepe o fessurazioni nei materiali di isolamento e guaina.

Per i cavi esposti a ozono, è essenziale utilizzare isolamenti e rivestimenti realizzati con materiali che offrono sufficiente resistenza all’ozono, come ad esempio mescole a base di polivinilcloruro o gomma etilenpropilenica.

Condizioni particolari in casi di incendio

I cavi elettrici, sebbene raramente siano la causa diretta di incendi, possono rappresentare un serio pericolo a causa della loro grande quantità e della diffusione in tutti gli ambienti degli edifici quando sono coinvolti in eventi incendiari.

Per questo motivo, la Commissione Europea, all’interno del Regolamento sui Prodotti da Costruzione (CPR), ha introdotto il requisito riguardante la “sicurezza in caso di incendio” per i cavi che riconosce l’importanza del comportamento dei cavi durante gli incendi.

Secondo il Regolamento CPR, la combustione degli isolamenti e delle guaine dei cavi, costituiti da materiali organici, è associata a rischi come:

• Generazione e propagazione di fuoco e fumo all’interno delle costruzioni;
• Propagazione del fuoco ad altre costruzioni vicine;
• Ostacolo all’evacuazione degli occupanti dalle costruzioni o al loro soccorso;
• Rischio per la sicurezza delle squadre di soccorso.

Cavi solari e non solari

I cavi in corrente continua si suddividono in due categorie:

• Cavi solari (o di stringa): Questi cavi vengono utilizzati per collegare tra loro i moduli solari e la stringa al primo quadro di sottocampo o direttamente all’inverter nei piccoli impianti.

I cavi che collegano i moduli sono posizionati nella parte posteriore dei moduli stessi, dove le temperature possono raggiungere i 70-80°C. Questi cavi devono essere progettati per resistere a elevate temperature e proteggere dai raggi ultravioletti se installati in vista. Solitamente sono unipolari, con isolamento e guaina in gomma, tensione nominale di 0.6/1 kV e temperatura massima di esercizio di almeno 90°C, con una elevata resistenza agli UV.

• Cavi non solari: Utilizzati a valle del primo quadro. Si trovano in un ambiente con temperatura ambiente di 30-40°C, lontani dai moduli. Questi cavi non sono resistenti ai raggi UV e se posati all’esterno devono essere protetti dalla radiazione solare con tubi o canali e dotati di guaina adatta all’uso esterno. Se posati all’interno degli edifici, devono rispettare le normali regole degli impianti elettrici.

Per i cavi in corrente alternata a valle dell’inverter, si applicano le stesse considerazioni dei cavi non solari in corrente continua.

I cavi solari sono disponibili con guaine nei seguenti colori:

• Rosso per il conduttore positivo;
• Nero per il conduttore negativo

Per i cavi della sezione in corrente alternata, i colori distintivi sono:

• Blu per il conduttore di neutro;
• Nero, grigio e marrone per i conduttori di fase

Il giallo-verde è utilizzato per il conduttore di protezione ed equipotenziale sia in corrente continua che alternata.

 

Verifiche elettriche per i cavi da effettuare in Blumatica Impianti Solari  

Per garantire una progettazione accurata di un impianto fotovoltaico dopo aver definito i moduli e l’inverter, è essenziale procedere con la realizzazione dello schema elettrico, includendo quadri, cavi e dispositivi di protezione.

I cavi vengono sottoposti a verifiche elettriche per valutare la loro capacità e la caduta di tensione in base alle specifiche dell’impianto progettato e alle caratteristiche del cavo selezionato.

In “Risultati e verifiche” della sezione dello schema elettrico di Blumatica Impianti Solari, vengono calcolati i seguenti parametri:

• Tensione: La tensione varia in base alla posizione del cavo nello schema elettrico.

In corrente continua, viene determinata dalle stringhe collocate in serie o parallelo. Le stringhe in serie hanno una tensione calcolata come il prodotto della tensione del modulo per il numero di moduli nella stringa, mentre per le stringhe in parallelo è uguale alla tensione del modulo.

In corrente alternata, è di 230 V per impianti monofase e 400 V per quelli trifase.

• Corrente: La corrente varia anch’essa in base alla posizione nello schema elettrico.

In corrente continua, dipende dalla configurazione delle stringhe, serie o parallelo. Per le stringhe in serie, la corrente è pari alla corrente del modulo, mentre per quelle in parallelo è il prodotto della corrente del singolo modulo per il numero di moduli.

In corrente alternata, è calcolata in funzione della potenza, della tensione e di un coefficiente k che è 1 per impianti monofase e  per quelli trifase.

• Portata: La portata è calcolata secondo le Norme CEI UNEL 35024/1 e 35026, come già analizzato in precedenza.
• Caduta di tensione: Il calcolo della caduta di tensione segue le disposizioni della norma CEI UNEL 35023, anche questa esaminata in precedenza.
• Caduta di tensione %: Dipende dalla caduta di tensione calcolata precedentemente.

Una volta ottenuti questi risultati, è fondamentale eseguire le seguenti verifiche sulla portata e sulla tensione:

Verifica della portata

La portata del cavo calcolata deve essere inferiore alla corrente che lo attraversa sia in corrente continua che in corrente alternata.

I_z < I

Verifica della caduta di tensione

La caduta di tensione % calcolata in funzione della norma CEI UNEL 35023 nel caso continuo deve essere inferiore al 2%, mentre nel caso alternato deve essere inferiore al 4%.

ΔV% < 2% (c.c.)

ΔV% < 4% (c.c.)

In conclusione, le connessioni realizzate su un sistema fotovoltaico devono assicurare una ridotta perdita di energia per dissipazione e ridurre al minimo il rischio di malfunzionamenti del sistema.

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