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PROTEZIONE DEGLI IMPIANTI DALLE SOVRATENSIONI

03/12/2018
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Classificazione, scelta e normativa tecnica di riferimento.

Le sovratensioni sono condizioni indesiderate e spesso temporanee nelle quali un impianto (o una sua parte) si trova sottoposto ad una tensione elettrica superiore a quella per il quale è stato progettato; possono essere classificate in base alla loro forma d’onda e durata, oppure a seconda della loro origine (interna o esterna).

Le sovratensioni mettono in generale in gioco energie modeste, almeno nei confronti delle apparecchiature e degli utilizzatori di potenza, tuttavia in grado di provocare cedimenti localizzati dell’isolamento in cui si concentra poi la potenza della rete industriale; inoltre, possono agire come il detonatore di un ordigno esplosivo: l’energia sviluppata dall’esplosione è infatti tutta nella miscela esplosiva non certo nel meccani- smo di innesco. Per questo motivo, gli impianti elettrici di media e bassa tensione, devono esser adeguatamente protetti, attraverso:

  • un opportuno coordinamento dell’isolamento;
  • l’installazione di dispositivi di protezione contro sovratensioni;
  • la prevenzione di guasti fra parti attive di circuiti alimentati con tensione differente e fra impianti di sistemi di II e III categoria e le masse di impianti di I categoria.

Comitati Tecnici e Norme CEI

I Comitati Tecnici del CEI che trattano il tema della protezione dalle sovratensioni sono: il CT 99/28 “Impianti elettrici di potenza con tensioni nominali superiori a 1 kV in corrente alternata (1,5 kV in corrente continua)”, il CT 37 “Scaricatori” e il SC 37A “Scaricatori B.T.“, il CT 42 “Tecniche delle prove ad alta tensione e a correnti elevate”, il CT 81 “Protezione contro i fulmini” e il CT 109 “Coordinamento degli isolamenti per apparecchiature a bassa tensione”

In dettaglio, il CT 99/28, senza alcun riferimento a particolari tipi di impianti, si occupa delle norme riguardanti il coordinamento degli isolamenti, prendendo in considerazione i campi di applicazione, i termini e i principi fondamentali da utilizzare, le prove da includere nelle specifiche di collaudo delle apparecchiature (le cui modalità sono di competenza del già citato CT 42) per verificare i livelli di isolamento di cui sopra e le raccomandazioni per le distanze minime in aria da adottare tra le parti in tensione.

Il CT 109 in particolare affronta il tema del coordinamento dell’isolamento per tutte le apparecchiature di bassa tensione, compresi i necessari metodi di prova.

Il CT 37 e il SC 37A preparano le normative da utilizzare per la scelta degli scaricatori che permettono di realizzare l’adeguata protezione dei sistemi con affidabilità soddisfacente e la definizione delle condizioni di uso necessarie per ottenere tali risultati.

Infine, il CT 81 provvede alla pubblicazione delle norme riguardanti i criteri per la valutazione del rischio dovuto ai fulmini e all’installazione dei relativi impianti di protezione.

Un elenco di Norme CEI utili e disponibili sull’argomento è riportata nella Tabella 1.

Tabella 1 – Alcune Norme in tema di protezione dalle sovratensioni

In particolare, la Norma CEI EN 60071-1 (CEI 28-5) tratta il coordinamento dell’isolamento dei sistemi trifase in c.a. con tensioni superiori a 1 kV. Essa specifica la procedura per la scelta delle tensioni di tenuta assegnate normalizzate per l’isolamento fase-terra, tra le fasi e longitudinale per le apparecchiature e per le installazioni.

I principi contenuti nella Norma si applicano anche all’isolamento delle linee di trasmissione dell’energia elettrica, anche se i valori delle tensioni di tenuta possono essere diversi da quelli normalizzati.

Classificazione delle sovratensioni

Le sovratensioni che interessano un impianto elettrico utilizzatore hanno caratteristiche diverse in funzione dell’evento che le genera (origine) e delle caratteristiche del sistema (rete di alimentazione e impianto elettrico utilizzatore).

Le sovratensioni sono in genere classificate in base a forma d’onda e durata o, alternativamente, in funzione della loro origine. In funzione della forma d’onda e della durata le sovratensioni possono essere classificate così come riportato in Tabella 2.

Tabella 2 – Classi e forme delle tensioni e delle sovratensioni (Fonte: Norma CEI 28-5).

A seconda dell’origine, le sovratensioni possono essere classificate:

  • sovratensioni di origine esterna conseguenti a fenomeni elettrici che hanno origine all’esterno dell’impianto (in particolare nell’atmosfera, ad esempio i fulmini) e che si ripercuotono direttamente o indirettamente;
  • sovratensioni di origine interna che hanno origine da eventi, da guasti o da false manovre interni all’impianto elettrico e quindi dipendenti dallo stesso impianto elettrico e nella fattispecie dalla sua configurazione.

Metodi di protezione

Il coordinamento dell’isolamento e la scelta degli SPD (Surge Protection Device) relativi alla tensione di esercizio della rete sono i metodi per la protezione dei componenti di un impianto elettrico o di un apparecchio utilizzatore in media e bassa tensione.

Un apparecchio ideale per la protezione dalle sovratensioni dovrebbe soddisfare i seguenti requisiti:

  • livello di protezione coincidente con la tensione di esercizio fase-terra del sistema in cui è installato;
  • interventi tali da non produrre nel sistema perturbazioni che possono pregiudicare la continuità del servizio o sollecitazioni anomale sui componenti di rete;
  • capacità di sopportare le sollecitazioni di tipo energetico associata alle sovratensioni, senza danni o alterazioni delle sue caratteristiche funzionali.

In realtà questi requisiti non sono totalmente soddisfatti anche dalle apparecchiature di protezione più perfezionate attualmente esistenti.

Impianti BT

La protezione dalle sovratensioni negli impianti BT si realizza installando limitatori di sovratensione (SPD). I limitatori di sovratensione hanno lo scopo di evitare il danneggiamento di circuiti causati principalmente da sovratensioni di origine esterna (fulminazioni), più gravose e più frequenti negli impianti BT rispetto a quelle di origine interna di quelle di origine interna.

Le sovratensioni dovute al fulmine sono, in genere, molto più gravose e più frequenti di quelle di origine interna e quindi principalmente la protezione negli impianti BT si concentra sulla protezione dalle sovratensioni di origine esterna, anche se il termine gravoso deve essere inteso in senso relativo, connesso cioè alla sensibilità di ciascun componente.

Le sovratensioni dovute a fulminazioni sono indubbiamente le più gravose. La scelta dei limitatori di sovratensione nei confronti di queste sovratensioni può essere effettuata correttamente solo se sono noti:

  • il livello di isolamento ad impulso degli apparati e dei circuiti da proteggere;
  • le sovratensioni e le correnti ad esse associate, nel punto di installazione dei limitatori di sovratensione;
  • la massima sovratensione temporanea (a 50 Hz) del sistema elettrico nel punto di installazione dei limitatori di sovratensione;
  • le caratteristiche dei diversi tipi di limitatori di sovratensione, in relazione all’attitudine a mantenere le sovratensioni al di sotto di un livello prefissato e alla capacità di condurre la corrente di fulmine e quella a frequenza industriale susseguenti alla sovratensione.

La scelta di un limitatore di tensione va fatta secondo il principio comune a tutti i dispositivi di protezione, cioè quello di coordinare le massime sollecitazioni tollerabili dai componenti che devono essere salvaguardati, con le prestazioni del dispositivo in termini di limitazione della sollecitazione stessa.

I parametri che esprimono le massime sollecitazioni tollerabili dai componenti di un impianto elettrico o da un apparecchio utilizzatore sono la tenuta all’impulso dell’isolamento ed eventuali requisiti di immunità rispetto a disturbi condotti secondo normative specifiche o, più in generale, di compatibilità elettromagnetica.

In quest’ottica per determinare le caratteristiche di un limitatore di tensione si devono considerare:

  • la tensione di innesco, che deve essere inferiore alla tensione di tenuta ad impulso delle apparecchiature da proteggere;
  • la tensione residua, che deve essere inferiore alla tensione di tenuta permanente, ma superiore alla tensione massima del circuito per evitare lo stabilirsi di una corrente di scarica anche al termine della sovratensione;
  • il potere di scarica, che deve essere adeguato alla forma d’onda ed all’entità dell’evento da cui ci si vuole proteggere. In particolare, per il caso di fulminazioni indirette, le forme d’onda normalizzate 4/10 ms e 8/20 ms usate per la definizione del potere di scarica dei limitatori sono proprio quelle che, statisticamente, più si avvicinano alle forme d’onda tipiche delle sovratensioni indotte.

Nel caso di fulminazioni dirette della linea di alimentazione i limitatori di sovratensione devono essere provati con una corrente di forma d’onda 10/350 ms che è quella tipica di fulmine (10/350 ms) assunta dalla normativa internazionale.

La protezione dalle sovratensioni si realizza generalmente agendo su due livelli:

  • un primo livello che riguarda i circuiti di potenza, nel quale il limitatore ha il compito di limitare, nel minor tempo possibile, le sovratensioni di maggiore intensità a valori non pericolosi per questi circuiti, ad esempio 1-2 kV;
  • un secondo livello che riguarda la protezione dei circuiti che alimentano le apparecchiature elettroniche, per i quali i limitatori devono ulteriormente ridurre l’entità del fenomeno a valori compresi tra i 500 e 700 V.

É consigliabile installare limitatori con un elevato potere di scarica all’inizio dell’impianto, il più vicino possibile al pozzetto di terra, soprattutto in presenza di strutture alimentate da linee aeree.

I limitatori di sovratensione per la protezione delle utenze più sensibili devono essere collegati nelle immediate vicinanze delle stesse.

Per la protezione delle apparecchiature dalle sovratensioni trasmesse dai circuiti di potenza sono generalmente impiegati:

  1. scaricatori
    • all’arrivo delle linee
    • nei circuiti interni alla struttura
  2. varistori
    • all’arrivo delle linee, se la linea è in cavo schermato o se la struttura è autoprotetta dalle fulminazioni dirette
    • nei circuiti interni alla struttura.

Nel caso di apparecchiature particolarmente sensibili, la protezione fornita dai limitatori va integrata con l’adozione di filtri o con separazione galvanica.

Per la protezione contro le sovratensioni trasmesse dai circuiti di segnale possono essere invece usati:

  1. scaricatori in gas
    • all’arrivo delle linee nella struttura
    • nei circuiti interni alla struttura
  2. varistori e limitatori elettronici
    • nei circuiti interni alla struttura.

È infine opportuno considerare che la sovratensione che sollecita un’apparecchiatura protetta con limitatori di tensione non è mai uguale alla sola tensione residua, perché ad essa si aggiunge la caduta  di tensione induttiva che la corrente di scarica provoca sui conduttori di collegamento del limitatore e poiché la corrente di scarica ha un fronte d’onda molto ripido, specialmente nel caso di spinterometri, la caduta di tensione sui conduttori di collegamento può raggiungere valori elevati (~100-150V/m) tali da compromettere anche l’efficacia della protezione stessa.

La corrente di scarica del limitatore crea, inoltre, forti campi magnetici in prossimità del limitatore stesso e dei suoi collegamenti che possono disturbare i circuiti più sensibili. Il limitatore dovrebbe essere racchiuso entro uno scomparto schermato e le sue connessioni essere le più corte possibili.

Impianti MT

Le caratteristiche principali che la protezione contro le sovratensioni in un impianto MT dovrebbe sempre soddisfare sono livello di protezione adeguato, interventi che non pregiudicano la continuità del servizio e capacità di sopportazione delle sollecitazioni.

I principali scaricatori utilizzati negli impianti MT sono:

  • scaricatori a resistenza non lineare con spinterometri;
  • scaricatori ad ossido di zinco.

Scaricatori a resistenza non lineare con spinterometri

In uno scaricatore a carburo di silicio con spinterometro è possibile determinare:

  • la tensione nominale dello scaricatore (Ur);
  • la corrente nominale di scarica.

La prima è determinabile attraverso il fattore di guasto a terra (ke) e la tensione massima del sistema (Um), la seconda può valere 10 o 5 kAc in base all’importanza del componente da proteggere.

Per gli scaricatori a carburo di silicio con spinterometro, la scelta della tensione nominale viene fatta in base alla relazione:

Ur  > ke  × Um/√3

Essendo Ur la tensione nominale dello scaricatore, ke il fattore di guasto a terra e Um la tensione massima del sistema.

Con questa scelta, e in base alle tabelle fornite dai costruttori o a quelle ricavate dalle norme sugli scaricatori, risultano definiti i valori delle tensioni di innesco e della tensione residua.

Una ulteriore scelta riguarda la corrente nominale di scarica che può essere di 10 kAc o di 5 kAc.

La scelta tra le due alternative è fatta in base all’importanza del componente da proteggere ed alle conseguenze di eventuali guasti.

Scaricatori ad ossido di zinco

In uno scaricatore ad ossido di zinco, la sovratensione sostenuta (Uss) è praticamente equivalente alla Ur degli scaricatori a carburo di silicio. Si devono quindi considerare altre sovratensioni come le risonanze, i distacchi di carico e l’apertura non simultanea di poli di interruttori. Si passa allora alla scelta della tensio- ne di servizio continuo (Uc).

La sovratensione sostenuta che interessa ai fini della scelta dello scaricatore è quella relativa al guasto monofase a terra. La sua ampiezza risulta pari a:

Uss  = ke  × Um/√3

in cui Um è la massima tensione di sistema, ke il fattore di guasto a terra, determinato dalle condizioni di messa a terra del neutro. Per sistemi con neutro francamente isolato ke = 1,73.

La durata della sovratensione sostenuta è funzione del tempo di permanenza del guasto e quindi dell’intervento delle protezioni.

Si devono quindi considerare altre sovratensioni sostenute come quelle che si possono verificare in alcune situazioni particolari di funzionamento della rete, quali per esempio le risonanze, i distacchi di carico e l’apertura non simultanea di poli di interruttori.

Si passa allora alla scelta della tensione di servizio continuo il cui valore minimo è dato da:

Uc ≥ Ur/ks

dove ks è un coefficiente intorno a 1,2.

Si deve infine scegliere la classe della prova di tenuta agli impulsi di lunga durata dello scaricatore.

Questa grandezza rende ragione dell’attitudine dello scaricatore ad assorbire l’energia associata alle sovratensioni di manovra ed atmosferiche. L’entità di tale energia viene valutata sulla base degli studi sul coordinamento dell’isolamento, che consentono di individuare la classe di scaricatore adatta a sopportare tali sollecitazioni.

Il procedimento viene completato con la verifica dei livelli di protezione. I livelli di protezione dello scaricatore, ricavati dai cataloghi del costruttore devono essere necessariamente inferiori al valore del livello di isolamento.

Alla luce di quanto esposto, la scelta degli scaricatori per una specifica applicazione è il risultato di un compromesso tra i livelli di protezione e l’attitudine dei componenti da proteggere e sopportare sovraten- sioni di manovra ed atmosferiche.

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