La protezione contro le sovratensioni (prima parte)

    La protezione contro le sovratensioni     (prima  parte)     Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelati dal diritto d’autore e possono essere usati solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  1 La protezione contro le sovratensioni  - prima parte -     di Gianluigi Saveri      Il fenomeno delle sovratensioni può essere causato da diversi eventi che si manifestano durante i temporali.  I fulmini producono in tempi brevissimi correnti di intensità molto elevate che possono raggiungere e superare i 200kA.      1. Generalità   É noto che il fenomeno delle sovratensioni  può essere causato dalla manovra di commutazione dei grandi carichi induttivi, da guasti verso terra  o nella maggior parte dei casi dalle fulminazioni dirette o indirette che si manifestano durante i temporali.       I  fulmini  in particolare sono fenomeni di scarica violenti che producono in tempi brevissimi correnti di intensità molto elevate che possono raggiungere e superare i 200 kA.       A causa dell’enorme energia sviluppata nel breve tempo sono eventi che si possono ripercuotere con tutto il loro potenziale distruttivo sui componenti o sugli impianti e nei casi più gravi sulle persone e sugli animali.       Per prevenire i rischi dovuti a questi fenomeni di origine naturale si rende necessario uno studio approfondito e il rilievo dei fulmini a terra per mezzo di strumenti sensibili al campo elettromagnetico prodotto dalla corrente di fulmine (fig. 1.1).        Fig. 1.1: Valori medi della frequenza di fulminazione per unità di superficie  Pubblicato il: 17/11/2003  Aggiornato al: 17/11/2003 

    La protezione contro le sovratensioni     (prima  parte)     Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelati dal diritto d’autore e possono essere usati solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  2 2.  Le scariche atmosferiche    In caso di temporale può accadere che le nuvole e il suolo  si comportino come le armature di un condensatore.    L’aria  è il dielettrico  interposto  tra queste enormi armature, una miscela di gas isolante costituita principalmente da azoto e ossigeno.    La rigidità dielettrica dell’aria, in base al valore del campo elettrico che si stabilisce tra cielo e terra, può essere superata e si può verificare il fenomeno della scarica elettrica che comunemente viene definita fulmine.  I temporali sono normalmente originati da particolari nubi di tipo cumuli-nembi riconoscibili dalla forma allungata a fianchi stretti  e dal caratteristico colore scuro (fig. 2.2).      La nascita di una nube temporalesca è dovuta all’aria calda che dal terreno sale verso l’alto.  L’aria ascendente, raggiunta una determinata altezza,  si porta ad una temperatura alla quale diventa satura di vapore acqueo che condensando dà origine ad una nuvola (fig. 2.3).    Il calore liberato dal processo di condensazione del vapore provoca un ulteriore riscaldamento dell’aria che è spinta nuovamente verso l’alto.    Se l’aria è molto umida si ha la formazione di cumuli stratificati, un’enorme macchina termica che può raggiungere uno spessore di 12 km  ad un’altezza da terra di circa 2 km.    La turbolenza di queste correnti d’aria favorisce la separazione delle gocce d’acqua che si sono formate.    La teoria della formazione delle cariche elettriche all’interno della nuvola non è stata ancora del tutto  chiarita.    L’elettrizzazione per strofinio è l’ipotesi più accreditata.    Alle alte quote, quando la temperatura dell’aria scende al di sotto di 0 °C, le gocce d’acqua si trasformano in cristalli di ghiaccio. Sarebbero proprio gli urti tra gocce d’acqua e cristalli di ghiaccio a generare le cariche elettriche negative e positive  che si formano nella nube (fig. 2.4).    Le cariche elettriche di segno opposto che si sono formate si respingono separandosi in parte verso l’alto (cariche positive costituite dai cristalli di ghiaccio) e in parte verso il basso  Fig. 2.2: I temporali sono originati da nubi del tipo cumuli-nembi  Fig. 2.3: L’aria che sale dal suolo si carica di umidità e ad una determinata altezza il vapore acqueo condensa e si ha la formazione della nube   Fig. 2.4: Formazione delle cariche elettriche in una nube temporalesca  

    La protezione contro le sovratensioni     (prima  parte)     Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelati dal diritto d’autore e possono essere usati solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  3 della nube (cariche negative costituite dalle goccioline di acqua).       É da questo momento che nella nuvola si formano i primi lampi (fig. 2.5).   La  rigidità dielettrica dell’aria che in condizioni ambientali ideali è di circa 3000 kV/m può abbassarsi notevolmente per la presenza di umidità e pulviscolo atmosferico.     Anche l’intensità del campo elettrico che solitamente in condizioni di tempo sereno al suolo è di circa 0,12 kV/m  può essere superata a causa di un aumento della concentrazione di cariche elettriche nella nuvola e a terra.  In situazioni particolari con nubi elettricamente cariche questo valore può raggiungere i 15 kV/m (fig.2.6) e può  essere  ulteriorment e  amplificato  da elementi in rilievo rispetto al suolo (fig. 2.7).      É a questo punto che ha inizio la cosiddetta fase attiva con sviluppo di lampi tra le nuvole e il suolo (fig 2.8).   L’agitazione temporalesca  all’interno della nuvola si va quindi lentamente placando  mentre aumentano le scariche verso terra accompagnate da forti precipitazioni, raffiche di vento e occasionalmente grandine (fig. 2.9).                 Fig. 2.5: Nella nube si manifestano i primi lampi  Fig. 2.6: Valori del campo elettrico al suolo   Fig. 2.7: Il campo elettrico è rafforzato dalla presenza di elementi in rilievo rispetto al suolo   Fig. 2.8: Fase attiva con intensa attività orizzontale fra le nuvole e verticale fra le nuvole e il suolo   Fig. 2.9: Diminuisce l’attività temporalesca e aumentano le scariche verso terra accompagnate da forti precipitazioni, raffiche di vento e occasionali grandinate  

    La protezione contro le sovratensioni     (prima  parte)     Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelati dal diritto d’autore e possono essere usati solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  4     Formazione e caratteristiche di un fulmine   I fulmini sono un fenomeno di scarica elettrica che produce in tempi brevissimi correnti di intensità molto elevata.     In funzione  della direzione nella quale si propagano e della carica elettrica possono distinguersi in discendenti (quando hanno origine dalla nube) o ascendenti (quando hanno origine da strutture a terra), positivi o negativi (fig. 3.1).               Principio di formazione del fulmine    Per meglio chiarire il principio di scarica riferiamoci all’esempio di uno tra i fulmini più diffusi, il fulmine discendente (fig. 3.2).                       1.  A causa dell’intenso campo elettrico e della rarefazione dell’aria il fulmine potrebbe avere inizio dalla parte bassa della nube. Inizia con una saetta che si propaga a zig-zag  verso terra a sbalzi successivi di 30-50 m.   2.  La  saetta  influenzata dall’azione del campo elettrico si carica di particelle elettriche e favorisce la  formazione di un canale ionizzato di forma ramificata.    3.  La scarica prosegue fino ad arrivare in prossimità del suolo. Il campo elettrico diventa così elevato  da favorire fenomeni di effluvio (o scintille) finché uno di questi (canale di controscarica  della lunghezza di alcune decine di metri) non entrerà in contatto col canale discendente.    Fig. 3.1: Tipi di fulmine  Fig. 3.2: Fasi della scarica di un fulmine negativo discendente 

    La protezione contro le sovratensioni     (prima  parte)     Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelati dal diritto d’autore e possono essere usati solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  5 4.  Il  contatto tra il canale discendente e di controscarica  si manifesta come un arco elettrico molto luminoso  (scarica di ritorno). Inizia lo scambio di cariche elettriche tra le nubi e il suolo mentre la rapida espansione dell’aria provocata dall’energia termica generata dal fulmine favorisce la formazione del tuono.   Seguono una serie di altri archi di minore intensità (archi susseguenti) finché il fenomeno non si esaurisce.