Le sovratensioni

Una sovratensione è una tensione ad andamento impulsivo che si sovrappone al normale livello di tensione nominale della linea (fig. 4.1).

Come si è visto può essere di origine interna se dipende da fenomeni interni all’impianto elettrico (fig. 4.2) oppure esterna quando è conseguenza di fenomeni elettrici che si sviluppano nell’atmosfera (fig. 4.3). 

Sovratensioni di origine interna 

Le sovratensioni di origine interna possono manifestarsi con forma d’onda sinusoidale a frequenza industriale uguale a quella dei generatori stessi (bassa frequenza esercizio/sostenute) oppure possono essere transitorie legate a situazioni di guasto o manovre con forme d’onda sinusoidale a frequenza superiore a quella di rete.

Sovratensioni di origine interna a bassa frequenza industriale esercizio/sostenute:

• Per improvvisa diminuzione del carico 
  Una repentina diminuzione del carico determina un aumento della tensione a causa della diminuzione della caduta di tensione sulla linea e nei generatori. Da una condizione di carico normale si può passare ad una condizione a vuoto con un aumento della tensione, soprattutto nelle macchine di elevata potenza, che può raggiungere valori che si avvicinano al 130%, e oltre in casi particolari, della tensione a carico normale.
  
  
• Per guasto franco a terra 
  Al verificarsi di un guasto franco a terra, la tensione verso terra della fase soggetta a guasto si azzera mentre quella delle due fasi integre, al termine di un periodo transitorio, assume un valore 1,73 (√3) maggiore della normale tensione di fase.
  
  
• Per contatto accidentale tra alta e bassa tensione 
  Possono essere causate da un contatto accidentale tra una linea in alta tensione e una linea in bassa tensione o per il cedimento dell’isolamento tra il primario e il secondario di un trasformatore.
  Per ovviare a tale tipo di guasto, nella rete in bassa tensione è prevista la messa a terra del neutro in modo che il contatto tra i due sistemi a tensione diversa si tramuti in un guasto a terra rilevabile dai previsti sistemi di protezione.
  Affinché la tensione di terra dovuta alla corrente di guasto sul primario non si riveli pericolosa, l’impianto di terra sulla bassa tensione deve essere opportunamente dimensionato. In un sistema in bassa tensione a neutro isolato si rende indispensabile la presenza di scaricatori fra il centro stella e la terra o fra le fasi e la terra.
  
  
• Per ferrorisonanza 
  La contemporanea presenza di componenti capacitive, ad esempio condensatori di rifasamento o cavi schermati, e componenti induttive saturabili, ad esempio trasformatori, reattori in ferro, ecc.., possono dar luogo a sovratensioni dovute a fenomeni di risonanza.
  La non linearità della caratteristica di magnetizzazione del ferro degli elementi induttivi comporta infatti la possibilità che si presentino diversi livelli di funzionamento accompagnati da elevate tensioni sui vari elementi del sistema.

Sovratensioni di origine interna transitorie a fronte molto ripido:

• Per innesco di arco elettrico a terra 
  Si manifestano quando su una linea ad alta tensione con neutro isolato si innesca accidentalmente un arco elettrico tra un conduttore e la terra.
  La corrente d’arco che ne deriva si richiude attraverso le capacità parassite verso terra dei conduttori provocando l’azzeramento della tensione verso terra nella fase guasta ed il contemporaneo aumento nelle fasi sane.
  Il fenomeno è caratterizzato da un transitorio nel quale si ha uno scambio energetico fra i condensatori parassiti e le induttanze equivalenti della linea che producono una tensione ad andamento oscillatorio che può raggiungere tra le fasi un valore massimo 2,5 volte superiore a quello nominale di esercizio.
  La condizione più critica si può verificare in presenza di archi verso terra di natura intermittente perché ogni oscillazione si sovrappone al livello precedentemente raggiunto e la tensione può pervenire a valori pari a circa 4 volte la tensione di esercizio.
  
  
• Per manovre 
  L’apertura sotto carico di un interruttore comporta, come sappiamo, la formazione di un arco elettrico tra i contatti ed è seguita da fenomeni transitori dovuti agli scambi energetici tra i vari elementi dell’impianto.
  Questo influenza le sovratensioni in formazione che possono raggiungere valori pari al 130% della tensione di esercizio massima.
  I fattori che determinano l’ampiezza di tali sovratensioni possono essere ricercati nella velocità di separazione dei contatti dell’interruttore, nella presenza di componenti capacitive e induttive, nell’intensità della corrente e nell’istante in cui avviene l’interruzione.
  Nei sistemi a alta tensione, dove sono presenti significative componenti capacitive verso terra, i fenomeni di carica e scarica dei condensatori parassiti attraverso le induttanze equivalenti della linea comportano la formazione di sovratensioni con componenti oscillatorie smorzate che possono, in situazioni estreme, essere dell’ordine del 300-400% della tensione di esercizio.
  Altre sovratensioni di manovra di tipo impulsivo, con valori pari a circa due volte la tensione di esercizio, si possono evidenziare durante la chiusura di un circuito che alimenta un carico capacitivo (ad es. una linea a vuoto).
  Un’ultima condizione da esaminare può essere quella relativa all’apertura o alla chiusura non simultanea dei poli di un interruttore.
  In circuiti che presentano elevate capacità parassite verso terra o di rifasamento con neutro a terra e carichi induttivi, a causa di fenomeni di risonanza a frequenza di rete o a frequenze armoniche iniettate in rete da carichi non lineari, si possono stabilire sovratensioni elevate tra i poli dell’interruttore e verso terra o massa ai capi delle capacità o del carico.

Sovratensioni di origine esterna

Le sovratensioni di origine esterna possono essere a formazione lenta (transitorie a fronte lento) o impulsive (transitorie a fronte ripido).

Sovratensioni transitorie:

• A fronte lento 
  Hanno origine da fenomeni di tipo elettrostatico dovuti alla presenza in prossimità delle linee elettriche di nubi cariche elettricamente (fig. 4.4).
  Le cariche elettriche, localizzate nelle stratificazioni inferiori della nuvola, determinano la migrazione di cariche di segno opposto sulle linee sottostanti.
  Il sistema resta stabile finché la nuvola non scarica verso terra e viene a mancare la forza attrattiva sulle cariche che si erano accumulate lungo la linea.
  Conseguentemente si manifesta una sovratensione che si propaga con forma d’onda impulsiva lungo i conduttori (fig. 4.5). Gli effetti di queste sovratensioni possono risultare nocivi soprattutto sulle linee a media tensione piuttosto che su quelle ad alta tensione.
  
  
• A fronte ripido 
  Sono caratterizzate da una forma d’onda a fronte di salita ripido e fronte di discesa lento e sono provocate dai fenomeni di fulminazione atmosferica sia diretta che indiretta.
  La fulminazione diretta ha effetto sulla linea o sulle apparecchiature (gli impulsi di corrente si possono propagare fino alle abitazioni fig. 4.6) e presenta la medesima forma d’onda di tipo impulsivo della corrente di fulmine.
  Il valore massimo di questa sovratensione è normalmente compreso tra 1000 e 5000 kV essendo il valore di cresta dell’onda della corrente di fulmine stimabile tra alcune migliaia di ampere fino a oltre i cento kiloampere.
  In caso di fulminazione indiretta il fulmine cade in prossimità dell’impianto (fig. 4.7).
  La corrente di fulmine non percorre l’impianto ma il campo elettromagnetico conseguente, variabile nel tempo con la stessa legge con cui varia la corrente di fulmine, interessa tutti i conduttori generando delle sovratensioni che si propagano per conduzione.
  Le sovratensioni che si sono formate sui conduttori creano a loro volta un campo magnetico provocando sui conduttori stessi l’insorgere di una sovratensione.
  Il campo elettromagnetico può anche concatenarsi con le spire formate dai circuiti vicini, come ad esempio l’anello di terra, generando delle sovratensioni che dipendono dalla dimensione della spira e dalla pendenza della forma d’onda della corrente (fig. 4.8).
  Un colpo di fulmine a terra, come ultima conseguenza delle sovratensioni generate, può provocare infine un aumento del potenziale di terra mettendo a repentaglio l’incolumità degli animali e delle persone e nel contempo provocare danni alle installazioni collegate a terra nelle vicinanze del punto di caduta (fig. 4.9).

Come si propagano le sovratensioni

Le sovratensioni possono manifestarsi fra le parti attive e la terra (longitudinali o di modo comune - fig.4.10a) oppure tra le parti attive (trasversali o differenziali - fig. 4.10b).

Nelle sovratensioni di modo comune tutti i conduttori assumono la stessa tensione verso terra perciò fra i conduttori attivi non si stabilisce alcuna sovratensione mentre sono sollecitati gli isolamenti verso terra di fase e neutro.

Il pericolo maggiore lo corrono le apparecchiature dove la massa è connessa a terra essendo non trascurabili i rischi di scariche nel dielettrico.

Le sovratensioni di modo differenziale interessano invece le parti attive (fase/fase o fase/neutro). In questo caso sono sollecitati gli isolamenti fra i conduttori  e si presentano particolarmente pericolose per le apparecchiature elettroniche .

Allegati scaricabili

La protezione contro le sovratensioni

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