Gli SPD negli impianti elettrici utilizzatori

Pubblicato: 17 novembre 2003 Categoria: Guide e approfondimenti

Gli effetti delle sovratensioni si possono manifestare in diversi punti dell’impianto in bassa tensione.

Per poterli contenere entro limiti accettabili per l’impianto e le apparecchiature occorre installare gli SPD.
Il principio di funzionamento di tali dispositivi si fonda sulla capacità di innescare un arco elettrico tra una parte dell’impianto e l’impianto di terra quando si manifesta una sovratensione e di ripristinare l’isolamento quando l’impulso di tensione si annulla.

Sono presenti sul mercato in grande quantità, con tecnologie costruttive e caratteristiche anche molto diverse fra loro. Di seguito vengono classificati e descritti i componenti più comuni presenti sul mercato.

Dati nominali e classificazione degli SPD secondo la nuova guida C799

Un SPD ideale dovrebbe possedere corrente nominale di scarica infinita, tempo di innesco e tensione residua nulli ed essere in grado di interrompere tutte le correnti susseguenti fino al valore della corrente presunta di corto circuito nel punto di installazione.

Il dispositivo ideale non esiste perché la tensione residua dipende dalla corrente di scarica e il tempo d’innesco è funzione inversa della tensione d’innesco.

Di seguito sono indicati i parametri di scelta più importanti di un SPD.

Tensione massima continuativa U_c. (in pratica coincide con la tensione nominale dell’SPD)
Valore efficace massimo ammissibile alla frequenza nominale che può essere applicato in funzionamento permanentemente.
Dipende dal modo di collegamento del neutro e dal tipo di protezione offerta dallo scaricatore (modo comune o modo differenziale)
Frequenza nominale f
Solitamente 50 o 60 Hz.
Corrente impulsiva I_imp
Valore di picco della corrente con forma d\'onda 10/350 microsecondi che circola nell\'SPD. Utilizzata per la prova degli SPD di classe I adatti alla protezione contro la corrente di fulmine o da fulminazione diretta.
Corrente nominale di scarica I_n in kA
Valore di cresta dell\'onda dell\'impulso di corrente 8/20 microsecondi di prova. Questo valore non deve essere superato perché altrimenti non è garantita l\'integrità del dispositivo e l\'annullamento di una eventuale corrente susseguente (corrente, sostenuta dalla sorgente a frequenza industriale, che fluisce tramite l\'SPD al termine dell\'impulso di sovratensione) che può essere paragonata ad un cortocircuito. Utilizzata per la prova degli SPD di classe II.
Corrente nominale dell\'interruttore o fusibile di protezione
Anno di costruzione
Per i dispositivi soggetti ad invecchiamento
Livello di protezione U_P
Valore di tensione, scelto tra una serie di valori preferenziali, che determina il comportamento dell\'SPD nel limitare la tensione tra i suoi terminali. Tali valori di tensione devono essere coordinati con i valori delle tensioni di tenuta degli apparecchi da proteggere. La protezione risulta tanto più efficace quanto più è basso il livello di protezione U_P rispetto al valore della tensione di tenuta delle apparecchiature a valle.
Tempo di innesco ad impulso t_i
Periodo che intercorre tra il momento in cui si manifesta l\'impulso e l\'inizio della scarica.
Tensione a vuoto U_0C
Valore di picco della tensione a vuoto con forma d\'onda 1,2/50 microsecondi fornita dal generatore di prova combinato in grado di erogare contemporaneamente una corrente di corto circuito con forma d\'onda 8/20 microsecondi. Utilizzato per la prova degli SPD di classe III.
Corrente massima di scarica I_max
Massima corrente (non utilizzata per la classificazione dell’SPD) con forma d\'onda 8/20 microsecondi che l\'SPD è in grado di sopportare almeno una volta senza danneggiarsi. Questo valore di corrente è utilizzato per classificare gli SPD di classe II adatti alla protezione contro le sovratensioni originate da fulminazione indiretta. L\'eventuale corrente di guasto dovrà essere interrotta per mezzo di un sistema di protezione esterno (interruttore magnetotermico o fusibili) installato a monte dell\'SPD.
Corrente continuativa I_C
Corrente di dispersione verso il PE, del valore di qualche milliampère, tollerata in funzionamento ordinario quando ai capi dell’SPD è applicata la tensione continuativa U_C. Tale corrente se non correttamente valutata potrebbe influire (interventi indesiderati) sul corretto funzionamento degli interruttori differenziali installati a monte dell\'SPD.
Tensione residua U_res
Valore di picco della tensione che si stabilisce ai capi dell\'SPD durante il passaggio della corrente di scarica. Tale valore deve essere più basso della tensione di tenuta ma , onde evitare che si stabiliscano correnti di scarica al cessare della sovratensione, superiore a quello della tensione massima dell’impianto.
Livello di protezione effettivo U_prot
É il valore della tensione che si stabilisce tra i conduttori dell’impianto e la barra equipotenziale durante il passaggio della corrente di scarica o d’impulso. Dipende dal livello di protezione dell’SPD e dalla caduta di tensione induttive nei collegamenti.
Corrente susseguente I_S
Corrente a frequenza industriale che può circolare verso terra al cessare della sovratensione. Se l\'impedenza non ripristina l\'isolamento verso terra la corrente assume valori tanto più alti quanto maggiore è la differenza tra tensione nominale U_n e tensione residua U_res sull\'SPD. Tale corrente può raggiungere valori prossimi al corto circuito determinando l\'intervento dei dispositivi di protezione e la messa fuori servizio dell\'SPD. Questo problema, presente soprattutto negli spinterometri, può essere evitato installando SPD con una tensione residua maggiore della tensione nominale.
Tensione di tenuta U_tenuta
É il massimo valore di tensione ad impulso sopportabile dall’apparecchiatura senza danneggiarsi.
Tensione d\'innesco dell\'SPD U_i
Deve essere inferiore a quella della tensione di tenuta U_tenuta delle apparecchiature da proteggere.

In relazione al tipo di impiego gli SPD possono essere classificati in tre classi di prova:

Classe I
Sono costruiti per sopportare gran parte della corrente di fulmine. La corrente di prova I_imp, quando si deve verificare la massima capacità di scarica, presenta una forma d’onda 10/350 microsecondi, tipica della corrente di fulmine. Per verificare la corrente nominale di scarica I_n la corrente di prova assume, invece, la forma d’onda 8/20 microsecondi. Possono scaricare gran parte della corrente di fulmine e quindi sono utilizzati dove il rischio di fulminazione diretta è elevato : all’ingresso delle linee di alimentazione in strutture dotate di LPS esterno, nelle strutture senza LPS esterno quando è indispensabile ridurre alcune componenti di rischio, sulle linee aeree entranti nelle strutture con l’ultimo tratto interrato inferiore a 150 m e sui quadri elettrici sia primari che secondari per collegarsi, attraverso il PE, all’LPS esterno.
Classe II
Sono provati con una corrente di prova con forma d’onda 8/20 microsecondi, sia per la verifica della corrente nominale di scarica I_n sia di quella massima I_max. Non sono adatti alla protezione contro le scariche dirette ma possono essere impiegati quando si debbano scaricare correnti provocate da sovratensioni indotte o piccole parti della corrente di fulmine: all’ingresso delle linee di alimentazione delle strutture senza LPS esterno, nei quadri divisionali se distano più di 10 m dal quadro principale, nei quadri delle strutture senza LPS esterno nelle quali è necessario ridurre alcune componenti di rischio e nei quadri elettrici di strutture ubicate in zone con una elevata frequenza di fulminazione per unità di superficie.
Classe III
Sono provati con un generatore in grado di fornire contemporaneamente una corrente di prova con forma d’onda 8/20 microsecondi a circuito chiuso in cortocircuito e una tensione con forma d’onda 1,2/50 microsecondi a circuito aperto. Questo tipo di SPD può essere usato per la protezione di apparecchiature collegate a circuiti già protetti con SPD di classe I o II. Possono essere installati nelle vicinanze delle apparecchiature da proteggere e all’ingresso di quadri divisionali.

Tecnologia utilizzata negli SPD

Gli SPD possono essere suddivisi in funzione della tecnologia adottata.

Spinterometro
Possono essere in aria (fig. 5.2) o in gas (fig. 5.3).
Presentano un’impedenza elevata in assenza di sovratensione (assenza di corrente di fuga alla tensione di esercizio), ma quando avviene l’innesco riducono rapidamente a pochi volt la tensione ai loro capi.
Sono costituiti da due elettrodi fra i quali, al manifestarsi di una sovratensione, si innesca un arco elettrico che si estingue quando la corrente scende al di sotto di qualche decina di ampère.
Il valore della tensione di innesco non è sempre costante perché dipende dalle condizioni di pressione, umidità e presenza di impurità nell’aria o nel gas.
Negli spinterometri in gas la tensione d’innesco risulta generalmente più costante perché la scarica avviene in un involucro protetto rispetto l’ambiente.
Si riduce però, rispetto ad uno spinterometro in aria, la capacità di scarica perché diventa più problematico smaltire il calore prodotto dall’arco.
Il ritardo con cui talvolta può avvenire l’innesco dipende dal valore della tensione necessaria a provocarlo che cresce con la ripidità del fronte d’onda della sovratensione.
Non sempre questi dispositivi garantiscono la sicura estinzione dell’arco perché a volte la tensione di esercizio del sistema, quando è superiore a quella d’arco, può sostenere l’arco stesso. Questo è un problema che occorre risolvere perché la corrente, in queste condizioni, è quella di corto circuito nel punto di installazione.
Per correnti della decina di ampère si può intervenire con dispositivi che allungano e raffreddano l’arco ma, per correnti elevate, il problema può essere risolto solo installando interruttori o fusibili a monte dello spinterometro. Sono caratterizzati da elevate correnti nominali di scarica: fino a 60 kA con forma d’onda 10/350 microsecondi e 100 kA con forma d’onda 8/80 microsecondi. La tensione d’innesco e quella residua sono dell’ordine dei 4 kV e sono comunemente classificati di classe I
Varistore
Si tratta di un dispositivo ad ossido di zinco o carburo di silicio molto diffuso sul mercato (fig. 5.4).
Quando è sottoposto alla tensione di esercizio presenta un’impedenza molto elevata che si riduce, tendendo a zero, al crescere della tensione.
Si determina in tal modo un vero e proprio corto circuito che favorisce la rapida dispersione della corrente verso terra con la tensione ai capi del varistore che si mantiene praticamente costante.
Si utilizza in condizioni non particolarmente severe: correnti di scarica dell’ordine dei 10-15 kA con impulso 8/20 microsecondi, tensioni d’innesco che possono variare da pochi volt a qualche kV e quando è richiesto il sicuro ripristino dell’isolamento al venir meno della sovratensione.
Con forme d’onda 10/350 microsecondi, tipiche della corrente di fulmine, le correnti nominali di scarica non superano i 4 kA. Il varistore è soggetto a progressivo degrado a causa della piccola corrente di fuga presente alla tensione di esercizio e del numero di interventi che è chiamato ad effettuare. Ad ogni sovratensione subita la corrente di fuga aumenta provocando nel tempo la fine vita del dispositivo che è bene sia segnalata tramite diodo led. Sono normalmente classificati di classe II.
Diodi soppressori (diodi Zener)
Presentano una curva che si avvicina alla curva ideale e sono caratterizzati da tempi di risposta molto rapidi e da basse correnti di fuga.
Possono però sopportare energie specifiche limitate rispetto agli spinterometri e ai varistori e sono quindi utilizzati, in associazione ad altre protezioni, per la protezione terminale delle apparecchiature. Il principio di funzionamento sfrutta le caratteristiche del diodo Zener (fig. 5.5), molto robusto e in grado di sopportare correnti di qualche centinaio di ampère, protetto mediante un fusibile.
Questi componenti sono spesso incorporati in connettori o adattatori a presa-spina, classificati abitualmente in classe III.
Spd di tipo combinato
La combinazione può essere ottenuta connettendo in serie o in parallelo tra di loro uno spinterometro e un varistore.
La combinazione in serie agevola l’estinzione dell’arco e garantisce l’isolamento nelle condizioni di normale esercizio. Queste caratteristiche si ripercuotono positivamente sulla durata di vita del limitatore perché si evita il corto circuito sul dispositivo e, in condizioni di funzionamento ordinario, il varistore non è percorso da nessuna corrente di fuga.
Quando si vogliono ottenere correnti di scarica elevate, tempi di intervento rapidi e tensione quasi costante ai capi dell’SPD si utilizzano dispositivi combinati con varistore e spinterometro collegati in parallelo.
Il varistore garantisce l’intervento senza ritardo alla tensione fissata mentre lo spinterometro permette di innalzare il valore della tensione ai capi dell’SPD e, intervenendo, di limitare l’energia specifica passante a valori accettabili per lo spinterometro.

Le principali caratteristiche dei componenti utilizzati sono riportate in fig. 5.6.

Dati di targa e criteri di scelta degli SPD

Protezione	Criteri di scelta	Classe di prova	Funzione svolta	Parametro di scelta
Sovratensioni per fulminazione diretta	Ingressi di linee di alimentazione delle strutture dotate di LPS esterno Sui quadri elettrici primari e secondari, delle strutture dotate di LPS esterno, collegati attraverso PE direttamente alle calate e ai dispersori dell\'LPS esterno. Linee aeree entranti nelle strutture con tratto interrato minore di 150 m Sulle strutture senza LPS esterno sulle quali è stato necessario ridurre le componenti di rischio A-D-C previste dalla norma 81-4	I	Scarica la corrente di fulmine	I_imp 10/350 microsecondi (kA)
Sovratensioni per fulminazione indiretta	Ingresso di linee di alimentazione delle strutture senza LPS esterno nel quadro principale di distribuzione Nei quadri secondari quando la distanza dal quadro principale è maggiore della distanza di protezione (maggiore di 10 m) Nei quadri delle strutture senza LPS esterno sulle quali è stato necessario ridurre le componenti di rischio D-M-G previste dalla Norma CEI 81-4 Nei quadri elettrici di edifici con apparecchiature sensibili ubicati in luoghi ad elevato numero di fulmini al suolo	II	Elimina le sovratensioni generate dal fulmine deviando la corrente	I_n 8/20 microsecondi (kA)
Sovratensioni per accoppiamento induttivo	In prossimità delle utenze finali, nelle prese fisse o mobili multiple, o nei quadri intermedi	III	Protegge gli apparecchi dalle sovratensioni indotte	U_0C 1,2/50 microsecondi (kV)

Allegati scaricabili

La protezione contro le sovratensioni

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