SPD in cascata e nei quadri

Si ricorre a più SPD collegati in parallelo quando l’impiego di un unico SPD, dovendo mantenere un livello di protezione U_p basso, non fornisce sufficienti garanzie di scarica delle correnti elevate. Normalmente il limitatore a monte, dove il livello di protezione può essere più alto, è uno spinterometro, mentre a valle, dove la tenuta delle apparecchiature è inferiore, si possono impiegare dispositivi con livello di protezione più basso come ad esempio un varistore o un diodo Zener. Indipendentemente da questo, il coordinamento tra limitatori di sovratensione collegati in cascata deve essere condotto diversamente secondo che si tratti di due varistori, di uno spinterometro e di un varistore oppure di uno spinterometro, di un varistore e di un dispositivo con diodo Zener collegati in parallelo fra di loro.

Se si collegano due varistori con la stessa corrente nominale di scarica (I_n1, I_n2) il coordinamento è verificato se il livello di protezione del primo UP1 è minore del livello di protezione U_P2 del secondo oppure se il livello di protezione del primo è superiore a quello del secondo ma l’impedenza Z_L interposta tra i due dispositivi è sufficientemente elevata.

Tale impedenza, che può essere ottenuta con conduttori di lunghezza superiore alla decina di metri, permette alla maggior parte della corrente di scaricarsi attraverso il primo limitatore a monte (fig. 6.30) evitando il danneggiamento del limitatore a valle. Intervenendo sulla lunghezza dei cavi di collegamento tra i due dispositivi si modificherà, infatti, il valore dell\'induttanza. Alla corrente che fluisce verso il limitatore L₂ si opporrà questa auto induttanza determinando l\'intervento anticipato di L₁ rispetto L₂.

Il fenomeno si sviluppa in alta frequenza ed un metro di cavo presenta un\'induttanza di circa 1 microhenry. La corrispondente caduta di tensione, supponendo una corrente di 8 kA con forma d\'onda 8/20 microsecondi, può essere valutata in circa 1kV al metro:

il coordinamento è verificato se:

Dove:
U_i è la tensione d’innesco in kV di L₁;
U_res è la tensione residua in kV di L₂;
l la lunghezza in metri dei cavi di collegamento;
L l’induttanza in microhenry al metro;
di/dt è la pendenza del fronte d’onda in kiloampere al microsecondo

Figura 6.30: Due varistori con corrente nominale di scarica uguale (I_n1=I_n2) sono coordinati se il livello di protezione (U_p1) del primo SPD è minore di quello del secondo (U_p2) oppure se il livello di protezione del primo è uguale o maggiore a quello del secondo ma l’impedenza Z_L è sufficientemente elevata (distanza del circuito fra gli SPD non inferiore a 10 m).

Due varistori con corrente di scarica diversa presentano generalmente una corrente di scarica In1 maggiore di I_n2 (fig. 6.31). Il coordinamento è verificato, e quindi la maggior parte della corrente si scarica sul primo SPD (L₁), se la tensione residua su L₁ è minore di quella sull’SPD a valle L₂ quando per entrambi la corrente di scarica di riferimento è la I_n2.

Figura 6.31: Due varistori con corrente nominale di scarica diversa con I_n1>I_n2 sono coordinati se la tensione residua dell’SPD a monte U_res1 è minore della U_res2 dell’SPD a valle entrambe riferite alla corrente di scarica I_n2.

Nel terzo caso uno spinterometro, con tensione d’innesco e corrente di scarica più alta, è collegato a monte di un varistore. In figura 6.32 il limitatore L₂, possedendo una tensione di innesco minore, potrebbe intervenire molto prima del limitatore L₁ danneggiandosi perché non è in grado di sopportare una corrente di scarica troppo elevata. Per evitare una tale evenienza è necessario coordinare le protezioni affinché il dispositivo a monte intervenga prima che il dispositivo a valle sia attraversato da una corrente di scarica troppo elevata. Questo può essere ottenuto inserendo fra i due dispositivi una impedenza di adeguato valore ottenibile anche dimensionando opportunamente il tratto di linea interposto tra i due SPD.

In genere, per correnti con forme d’onda 8/20 microsecondi o minori, i soliti dieci metri di cavo (se si installano i due dispositivi molto vicini tra di loro è necessario inserire una bobina di disaccopiamento) sono sufficienti per assicurare il coordinamento fra i due SPD. É sufficiente, infatti, che la somma della caduta di tensione sull’impedenza Z_L e della tensione residua del varistore alla massima corrente di scarica sopportabile sia superiore alla tensione d’innesco U_i dello spinterometro.

Figura 6.32: Uno spinterometro a monte e un varistore a valle sono coordinati se lo spinterometro innesca prima che la corrente di scarica sul varistore superi il suo massimo valore tollerabile. Questo si verifica se la somma della caduta di tensione sull’impedenza Z_L e della tensione residua del varistore alla massima corrente di scarica sopportabile (I_max) è superiore alla tensione d’innesco Ui dello spinterometro.

Per concludere un esempio di protezione su più livelli, con SPD delle tre classi collegati in cascata e opportunamente coordinati, che fornisce una protezione, seppur non assoluta, sicuramente più che sufficiente (fig. 6.33).

Figura 6.33: SPD delle tre classi collegati su più livelli e opportunamente disaccopiati tra di loro (normalmente sono sufficienti distanze tra gli SPD di circa 10 m) possono fornire una soddisfacente garanzia di protezione.
Il coordinamento è corretto se la U_i d’innesco dello scaricatore collegato a monte è inferiore alla somma della tensione residua U_res del dispositivo a valle e della caduta di tensione sull’impedenza di disaccopiamento Z_L relativa ad una corrente di scarica tollerabile dai dispositivi a valle.

Il dispositivo di protezione fine, bassa tensione residua e bassa corrente di scarica (diodo Zener), deve essere posizionato nelle immediate vicinanze dell’utilizzatore, quelli con tensione residua e corrente di scarica più alta, all’ingresso della linea nell’edificio (spinterometro), mentre fra i due SPD, in opportuna posizione, si può installare un ulteriore dispositivo con caratteristiche intermedie (varistore). Al sopraggiungere della sovratensione i tre dispositivi non scaricano alcuna corrente è sono quindi soggetti all’impulso della tensione che aumenta rapidamente fino a raggiungere il massimo valore in un tempo convenzionale di 10 microsecondi per una forma d’onda 10/350 microsecondi. Il primo ad intervenire è il diodo Zener il quale, scaricando una corrente I_s1, determina una caduta di tensione sulle impedenze Z_L1, Z_L2, Z_L3. Quando alla U_res1 del diodo Zener si aggiunge la caduta di tensione sulla Z_L1 e si supera la tensione d’innesco Ui2 del dispositivo a valle, una parte della corrente, avendo inizio la fase di scarica del varistore, viene deviata. Risulta evidente che il diodo non si danneggia se la corrente di scarica I_s1 che lo attraversa è minore della sua corrente nominale di scarica. In questo caso, se U_i2 è la tensione d’innesco del varistore, deve essere verificata la seguente relazione:

da cui:

Allo stesso modo, con riferimento alla figura 6.33, si può procedere alla verifica del coordinamento tra varistore e spinterometro il quale dovrà possedere una corrente nominale di scarica superiore alla corrente prevista meno la parte scaricata dal varistore e dal diodo.

L’installazione degli SPD nei quadri

I collegamenti dei limitatori di sovratensione devono essere i più corti possibile (di norma è accettabile una lunghezza complessiva ) perché la sollecitazione sull’isolamento delle apparecchiature protette cresce in proporzione alla loro lunghezza (fig. 6.34). Scelto lo scaricatore, che dovrà possedere un livello di protezione U_p adatto al valore massimo di tensione che le apparecchiature da proteggere sono in grado di sopportare, occorre verificare quindi la lunghezza complessiva dei collegamenti. Nell\'esempio di figura i collegamenti, di lunghezza complessiva l=l₁+l₂+l₃, determinano, come si è detto, un\'induttanza di circa 1 microhenry al metro con una caduta di tensione, supponendo una corrente di 8 kA con forma d\'onda 8/20 microsecondi, che può essere valutata in circa 1 kV al metro.

La tensione U che si stabilisce sull’apparecchiatura assume il valore U=U_P+ U₁+U₂+U₃ e può essere contenuta entro valori accettabili dalle apparecchiature riducendo la lunghezza complessiva dei collegamenti e limitando di conseguenza la caduta di tensione. Nel quadro gli SPD devono essere posizionati in modo da limitare la superficie della spira formata dai loro collegamenti e i circuiti delle partenze protette, per evitare che la corrente di scarica induca sovratensioni su di essi, devono essere installati al di fuori della zona di influenza dell’anello (fig. 6.35, 6.36).

Allegati scaricabili

La protezione contro le sovratensioni

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