Protezioni contro le sovratensioni: tecnologie e normative

Protezione da sovratensioni negli impianti

Secondo i dati statistici rilevati da Sirf (Sistema italiano rilevamento fulmini), nei mesi di luglio e agosto, mediamente si abbattono su Roma oltre 1.100 fulmini. La capitale è infatti una città molto esposta a questo fenomeno, soprattutto se confrontata con Milano che, nella stagione estiva, viene colpita “solo” 220 volte. Ma esistono anche zone, come il Carso, in cui ogni anno cadono ben sei fulmini in ogni chilometro quadrato.

Solitamente l'effetto dei fulmini è solo spettacolare. Ma quando colpiscono un edificio, i danni possono essere ingenti, soprattutto per le apparecchiature elettroniche, che sono le più sensibili alle perturbazioni elettriche.

Da qui la necessità di proteggere gli impianti, compresi quelli di building automation, con dotazioni in grado di prevenire gli effetti devastanti di un simile fenomeno. La soluzione è attualmente fornita dagli SPD (Surge Protective Devices), più conosciuti con il nome italiano di “limitatori di sovratensione”. Simili componenti sono infatti in grado di intervenire, a fronte di una sovratensione, per convogliare verso terra le eventuali sovracorrenti e garantire che la tensione dei circuiti elettrici rimanga entro un valore prefissato.

La scelta della soluzione adeguata alle specifiche esigenze di protezione non è semplice. In particolare, per un corretto dimensionamento, è fondamentale verificare l'esistenza del rischio di fulminazione diretta della struttura e/o della linea elettrica entrante. In caso di risposta negativa, le normative concordano nel ritenere sufficiente utilizzare, all’origine dell’impianto, un SPD in classe di prova II con corrente nominale di scarica In ≥ 10 kA (8/20 μs).

Al contrario, se non esiste il rischio di fulminazione della struttura, ma quello di fulminazione della linea elettrica entrante, occorre installare, all’origine dell’impianto, un Spd in classe di prova I con una corrente Iimp ≥ 10 kA (10/350 μs).

Più delicata la scelta nel caso in cui sussista il rischio di fulminazione diretta della struttura. Un rischio che deve essere prevenuto ripartendo la corrente di fulmine (200 kA) tra tutti i corpi metallici entranti nella struttura (linea di energia elettrica, acqua, gas, telefono...).

Quali sovratensioni esistono

Una sovratensione è la conseguenza di uno o più fenomeni fisici di natura elettromagnetica che provocano un repentino ed improvviso innalzamento dei valori di picco delle tensioni di rete, ben al sopra dei parametri nominali.

Le sovratensioni possono essere classificate in base alla frequenza, al valore di picco e al tipo di perturbazione che provocano sulla rete:

• Sovratensioni di natura temporanea: la loro denominazione deriva dall’inglese Temporary Over Voltage (Tov). Non sono di natura impulsiva, infatti tendono a conservarsi per periodi di tempo relativamente lunghi e hanno origine generalmente da guasti di natura impiantistica e di impatto rilevante. In conseguenza di questo i prodotti destinati alla protezione degli apparecchi utilizzatori devono superare particolari prove previste dalle norme e aventi lo scopo di assicurare che gli SPD non vengano danneggiati da lunghe esposizioni a queste sovratensioni.
• Sovratensioni di natura transitoria: sono sovratensioni a media frequenza, di natura oscillatoria e smorzata nel tempo, che perdurano soltanto pochi microsecondi; sono provocate dalle caratteristiche inerziali delle parti meccaniche degli azionamenti di manovra, le quali tendono a basculare da uno stato di riposo ad uno di instabilità durante le normali operazioni di commutazione.
• Sovratensioni di natura impulsiva: sono provocate dai fulmini quando drenano verso terra  la carica elettrica presente nella nuvola  dando origine ad una corrente elettrica variabile nel tempo. Le sovratensioni di natura atmosferica possono causare danni sensibili a cose e persone ed è indispensabile, in fase di progettazione degli edifici, identificare le opportune protezioni da adottare per minimizzare i danni mediante l’analisi statistica del rischio.

Progettare un sistema di protezione

ANIE ha realizzato e recentemente aggiornato, in conformità alle nuove edizioni delle Norme, un opuscolo di aiuto alla scelta “SPD – Un lampo di genio 2”. In questo fascicolo sono riportate le principali nozioni che possono aiutare a scegliere il corretto sistema di protezione in base ad alcuni esempi di applicazioni tipiche.

Con la consapevolezza che la soluzione spesso non ha un risultato univoco, per progettare un sistema di protezione adeguato è comunque necessario seguire l’algoritmo dell’analisi del rischio, descritto nella normativa CEI 81-10 (CEI EN 62305), per identificare a quale esposizione è soggetto l’edificio in questione.

Aziende a rischio

Nelle applicazioni industriali, l’impiego degli SPD deve fare riferimento ad una corretta valutazione del rischio come indicato dalla norma CEI EN 62305 (CEI 81/10) parte 2. Non esiste una soluzione univoca perché sono molteplici le situazioni da affrontare.

Ci troviamo, infatti, di fronte a diverse possibili combinazioni di fattori quali il tipo di sistema di distribuzione, l’ubicazione delle cabine elettriche, le posizioni dei quadri elettrici e delle apparecchiature che si intendono proteggere. Questi elementi devono poi essere confrontati con l’esistenza o meno di un LPS esterno posizionato sulla struttura esaminata, e con il tipo di LPS adottato: a maglia, a fune, ad asta, ecc. 

La norma CEI EN 62305 (CEI 81/10), con le sue quattro parti, risponde puntualmente alle necessità progettuali di arrivare a fondo del problema tecnico sul quale il progettista intende indagare. I metodi di calcolo suggeriti dalla norma e dagli allegati consentono di determinare con attendibilità il valore delle frazioni di corrente di fulminazione che ci si aspetta in un punto prestabilito dell’impianto.

La norma parla, nello specifico, di “Sistema di SPD”, questo significa che è in genere difficile risolvere i problemi delle sovratensioni utilizzando un unico SPD. Si dovranno utilizzare diversi SPD combinati e coordinati tra loro per il raggiungimento dello scopo finale, che è quello di “tenere le sovratensioni sotto i livelli di tenuta di isolamento degli impianti e delle apparecchiature”. Questo è indispensabile negli impianti estesi che contengono le apparecchiature più diverse, dalla potenza ai segnali, alle trasmissioni dati.

Il sistema di SPD è quindi composto da un corretto dimensionamento e coordinamento di SPD di classe di prova I (tpo 1), classe di prova II (tipo 2) e classe di prova III (tipo 3).

Scelta del valore di corrente e della sua forma:

Un SPD di Classe II e adatto anche a proteggere gli apparecchi dalle sovratensioni indotte.

Un SPD di Classe I, se ne viene dichiarata la In (8/20 μs), assolve anche una funzione della classe II.

Norme “contro” i fulmini

• CEI EN 62305-1 (CEI 81-10/1), 2013; Protezione contro i fulmini - Parte prima: Principi generali.
• CEI EN 62305-2 (CEI 81-10/2), 2013; Protezione contro i fulmini - Parte seconda: Valutazione del rischio.
• CEI EN 62305-3 (CEI 81-10/3), 2013; Protezione contro i fulmini - Parte terza: Danno materiale alle strutture e pericolo per le persone.
• CEI EN 62305-4 (CEI 81-10/4), 2013; Protezione contro i fulmini - Parte quarta: Impianti elettrici ed elettronici nelle strutture.
• CEI EN 61643-11 (CEI 37-8), 2007; Limitatori di sovratensioni di bassa tensione – Parte 1: Limitatori di sovraten­sioni connessi a sistemi di bassa tensione – Prescrizioni e prove.
• CEI EN 60664 (CEI 109-1), 2008; Coordinamento dell’isolamento per le apparecchiature nei sistemi a bassa tensio­ne. Parte 1: principi, prescrizioni e prove.
• CEI 64-8, 2012; Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000 V in corrente alternata e a 1500 V in corrente continua.