Protezione dalle sovratensioni: Lo Scaricatore

Le sovratensioni sono una delle cause di danneggiamento o malfunzionamento degli impianti e degli apparecchi connessi. Esposti a questo fenomeno sono gli elettrodomestici, ma ancor più le apparecchiature elettroniche, quali televisori, computer, impianti di allarme, dispositivi industriali di regolazione e controllo.Ciò è dovuto al fatto che i moderni componenti elettronici impiegati nella costruzione delle nuove apparecchiature, mentre da un lato offrono prestazioni sempre più sofisticate grazie alla crescente integrazione ed alla riduzione del costo per singola funzione, dall’altro diventano sempre più vulnerabili a causa delle continue riduzioni delle distanze di isolamento (conseguenti alla maggiore miniaturizzazione). I fenomeni elettrici nocivi sono in gran parte originati da perturbazioni atmosferiche: fulminazioni dirette sulle linee o, più frequentemente, induzione su di esse da parte del campo elettromagnetico generato da scariche elettriche nubeterra o nube-nube, di entità spesso così elevata da produrre effetti rilevanti anche a molti chilometri di distanza.
La sovratensione può essere originata da uno dei seguenti effetti.
CapacitivoIl campo elettrico che dà luogo alla perturbazione è generato dalle cariche presenti nella nube e nel canale di fulmine prima dell’impatto sulla struttura e può raggiungere, al livello del suolo, valori dell’ordine di alcuni kV/m.
InduttivoIl campo elettromagnetico associato alla corrente di fulmine si concatena con le “spire” costituite dai circuiti dei sistemi elettrici e/o di telecomunicazione. Le sovratensioni indotte sono dovute alla variazione nel tempo del campo elettromagnetico concatenato con la spira considerata.
L’intensità del campo elettromagnetico decresce rapidamente con l’aumentare della distanza dal conduttore in cui fluisce la corrente.
ResistivoLa dispersione della corrente di fulmine nel terreno dà origine ad una elevatissima differenza di potenziale tra il dispersore ed un punto del terreno sufficientemente lontano da non essere interessato dalla corrente (punto a potenziale nullo). Tale d.d.p., denominata tensione totale di terra, è pari al prodotto della corrente nel dispersore per l’impedenza ad impulso del dispersore stesso.In queste condizioni si hanno differenze di potenziale tra impianto di protezione ed elementi metallici vicini.

L’origine delle perturbazioni può però risiedere anche in manovre accidentali, alterazioni o guasti che interessano le linee elettriche che alimentano le apparecchiature oppure, più semplicemente, può derivare da brusche variazioni del campo elettromagnetico generato da parte di linee elettriche che transitano in prossimità delle linee di collegamento alle apparecchiature. Tali linee di collegamento possono pertanto restare influenzate per accoppiamento induttivo e capacitivo con le prime.Come risultato delle perturbazioni suddette, qualunque ne sia la causa, si ha che le linee in questione diventano sede di una sovratensione impulsiva che può localizzarsi:- tra ciascun conduttore e la terra (intesa come elemento metallico, involucro, schermo, massa estranea, che assume lo stesso potenziale del terreno) e che viene indicata come “sovratensione di modo comune”;- tra i diversi conduttori del circuito (“sovratensione di modo differenziale”).Queste sovratensioni, a seconda della loro intensità, possono determinare il danneggiamento permanente di componenti dell’impianto, a causa del cedimento di isolamenti non ripristinabili o di un inaccettabile deterioramento, o un temporaneo malfunzionamento, dovuto alla variazione delle grandezze (tensioni o correnti) di riferimento.
Per la protezione dalle sovratensioni è necessario realizzare un corretto coordinamento tra le massime sovratensioni ammissibili nelle diverse zone dell’impianto e l’entità delle sovratensioni che si possono manifestare in quelle stesse zone.

Questo concetto è stato espresso in ambito normativo ricorrendo alla terminologia tipica della compatibilità elettromagnetica. Sono state infatti definite diverse “zone” ciascuna delle quali caratterizzata da uno specifico “ambiente elettromagnetico”
– Zona 0A – è la zona esterna al volume protetto dall’impianto di protezione contro le scariche atmosferiche, dove pertanto si possono verificare scariche dirette e i campi elettromagnetici non risultano attenuati;- Zona 0B – è la zona ubicata all’interno del volume protetto dall’impianto di protezione, ma esterna alla struttura; la zona quindi non è soggetta a scariche dirette, ma è esposta alla piena intensità del campo elettromagnetico della corrente del fulmine;- Zone 1, 2, 3 – sono le zone, interne alla struttura protetta, non soggette a scariche dirette ed esposte a campi elettromagnetici di intensità via via ridotta.
Criteri di protezioneLe azioni mirate a ridurre il rischio delle sovratensioni si possono suddividere in due categorie: quelle tendenti a ridurre gli effetti capacitivi, induttivi, resistivi e quindi prevenire o limitare la sovratensione, e quelle volte a limitare l’ampiezza delle sovratensioni che si possono manifestare nei vari punti dell’impianto.
Modalità di prevenzioneLa prevenzione delle sovratensioni si realizza limitando l’entità degli accoppiamenti capacitivi, induttivi e resistivi.

Gli accoppiamenti di tipo capacitivo possono essere ridotti ad esempio mediante schermi elettrostatici.Per quanto riguarda l’accoppiamento resistivo è necessario ridurre l’impedenza delle vie di scarica della corrente e del dispersore, inoltre è fondamentale effettuare collegamenti equipotenziali tra masse estranee e collettore di terra.L’entità delle sovratensioni dovute all’effetto induttivo è determinato dalla quantità di flusso concatenato dal circuito interessato dal campo magnetico derivante dalla corrente di scarica del fulmine.A sua volta il flusso concatenato dipende dall’intensità del campo magnetico e dalle dimensioni della “spira” che il circuito forma.La riduzione della sovratensione può essere realizzata aumentando il numero delle vie percorse dalla corrente di scarica (con ciò si riduce il valore della corrente in ogni singola via e quindi l’intensità del campo magnetico) oppure predisponendo opportune schermature.E’ indubbio che, con riferimento all’impianto di protezione base, la presenza di organi di captazione a maglia, di numerose calate e di numerosi anelli di interconnessione delle calate stesse, nonché di un dispersore ad anello integrato con i ferri di armatura delle fondazioni, possono costituire un valido contributo alla suddivisione della corrente e ad una conseguente riduzione del campo elettromagnetico all’interno della struttura.Un caso particolare per l’ampiezza che presenta la spira delimitata dal cavo d’antenna e dal circuito di alimentazione, è costituito dall’impianto di ricezione televisiva.In occasione di una fulminazione diretta dell’edificio (anche se non direttamente dell’antenna) è infatti probabile che si verifichi una scarica distruttiva tra l’impianto di antenna e l’impianto di protezione (o i ferri d’armatura delle strutture).Anche la fulminazione di strutture poste nelle adiacenze di quella in considerazione (o la fulminazione del suolo e anche quella tra nubi) sono, come visto in precedenza, da temere, non fosse altro per la frequenza con cui questi eventi sono in grado di produrre disturbi.Tutte le linee elettriche aeree di energia e di telecomunicazione definiscono intatti, unitamente alla superficie del suolo e/o a masse estranee (tubazioni metalliche), spire di enormi dimensioni con le quali si concatena il campo elettromagnetico delle correnti di scarica di fulmine, dando così origine a non trascurabili tensioni di modo comune.Nel caso, fortunatamente abbastanza raro, di fulminazioni molto vicine (poche decine di metri) a linee bt si possono manifestare sovratensioni di circa 15 kV.Nel caso più frequente di fulminazioni molto prossime alle linee MT, le sovratensioni trasferite sul sistema bt sono attenuate dalla presenza del trasformatore MT/bt e non superano, in genere, i 6 kV.
Dispositivi di soppressioneL’ampiezza delle sovratensioni può essere contenuta entro il valore massimo consentito mediante l’installazione di un adatto limitatore di tensione.Questi dispositivi trasformano bruscamente la propria impedenza (da molti Mohm a pochi ohm) non appena la sovratensione supera la soglia prefissata.In pratica il dispositivo connesso tra l’elemento interessato dalla sovratensione (ad esempio una fase del circuito elettrico) e la terra si comporta come un interruttore:- in condizioni normali la sua elevata resistenza fa sì che l’elemento risulti isolato da terra;- al manifestarsi di una sovratensione la sua resistenza si riduce drasticamente così che si viene a costituire un collegamento a bassa resistenza tra elemento e terra e la corrente associata alla sovratensione può scaricarsi a terra.Conseguentemente la sovratensione decresce e il dispositivo riacquista pressoché istantaneamente valori di resistenza elevati, per cui l’elemento torna ad essere isolato da terra.
La corretta scelta del limitatore deve essere effettuata sulla base dei seguenti parametri:- tensione di sicuro innesco;- tensione residua: il massimo valore di tensione che il limitatore presenta ai suoi capi quando è attraversato dalla corrente di scarica;- corrente di scarica: massima corrente, con forma d’onda specificata (8/20 µs o 10/350 µs), per la quale è garantito uno specificato valore di tensione residua;- energia dissipabile: massimo valore dell’energia che può essere tollerato dal limitatore (considerata la breve durata delle sovratensioni, il fenomeno termico è certamente di tipo adiabatico e quindi sarebbe più corretto parlare di energia “assorbibile”).Tensione di sicuro innesco e caratteristiche energetiche sono i parametri che limitano la scelta d’impiego nei sistemi bt a tre possibili tipi di limitatori di tensione: spinterometri, varistori e diodi.
SpinterometriPossono essere in aria o in gas e presentare tensioni di innesco comprese tra qualche decina di volt ed alcuni kilovolt.La tensione di innesco dipende dalla rapidità della sovratensione per cui possono essere utilizzati solo nei circuiti di energia.Il valore di tensione residua è praticamente indipendente dalla corrente di scarica essendo pari alla tensione d’arco, il che li rende particolarmente adatti a sopportare le più intense correnti di fulmine.
VaristoriSono costituiti da un elemento resistivo realizzato con materiali (quali l’ossido di zinco) che presentano una caratteristica tensione-corrente non lineare: il valore di resistenza diminuisce infatti all’aumentare della tensione applicata:

Questo tipo di soppressore può venire realizzato con tensioni di innesco comprese tra poche decine e molte centinaia di volt, e con capacità di scarica elevata e media, per protezione di tipo generale degli impianti, e con limitata tensione residua per la protezione locale dei singoli utilizzatori.

Ogni varistore è dotato di un sezionatore, che interviene separando automaticamente dalla rete il dispositivo, qualora esso, a seguito di una sovratensione particolarmente elevata, sia rimasto danneggiato. Una spia inoltre segnala l’avvenuto intervento del sezionatore.

Per annullare la corrente di conduzione, che sebbene modesta attraversa comunque il varistore, sono disponibili anche limitatori di tensioni che incorporano uno spinterometro posto in serie al varistore.

Quest’ultimo assicura l’interruzione dell’ arco nello spinterometro al cessare della sovratensione.

L’energia che il varistore può dissipare durante il passaggio della corrente del fulmine dipende dalle dimensioni del varistore stesso.

Per limitare tali dimensioni alcuni tipi di scaricatori sono realizzati ponendo in parallelo al varistore uno spinterometro, che ha il compito di scaricare a terra la maggior parte della corrente di scarica, lasciando al varistore la conduzione a terra delle correnti modeste.

Diodi

I diodi di protezione presentano tempi di intervento estremamente brevi e possono essere attraversati da correnti impulsive relativamente elevate (fino ad alcuni kiloampere).

Queste caratteristiche, unitamente alla estrema affidabilità nel tempo, ne fanno il limitatore di tensione ideale per la protezione di qualsivoglia circuito.

Le uniche limitazioni sono imposte dall’energia dissipabile.

Criteri di scelta ed installazione degli scaricatori

I limitatori di tensione devono avere adeguate caratteristiche per quanto riguarda tensione di innesco, tensione residua e capacità di scarica, in relazione all’impiego che se ne fa.

Per gli impianti elettrici di bassa tensione (< 1000 V) si possono impiegare limitatori aventi una tensione di innesco adeguata all’isolamento da proteggere (in generale inferiore a 2000 V a 50 Hz) ed una capacità di scarica idonea (in generale 5 kA per onda 8/20 µs, quando sono previste solo sovratensioni indotte da fulminazioni indirette, oppure 65 kA per onda 4/10 µs nei casi in cui si prevedono sovratensioni dovute a scariche che colpiscono direttamente l’edificio).

Installazione dei limitatori di sovratensione

Per un razionale impiego dei soppressori a varistori è necessario definire i seguenti aspetti:

– grado di esposizione alle sovratensioni dell’impianto elettrico, che è l’indice della frequenza ed intensità delle sovratensioni sulle reti di alimentazione e di distribuzione dell’energia;

– grado di isolamento dei componenti del sistema a bassa tensione definito dal valore della tensione di tenuta ad impulso del sistema di isolamento dei cavi, delle apparecchiature e degli utilizzatori;

– grado di esposizione dell’edificio alla fulminazione diretta, che dipende dalla densità di fulminazione al suolo della zona (collocazione geografica, orografia, altitudine, area urbana o area aperta) e dalla forma, struttura e dimensioni dell’edificio;

– valore delle conseguenze economiche associate al probabile danno da sovratensione.

Impianti civili

Gli impianti civili presentano in genere un impianto elettrico poco esteso, che deve essere protetto esclusivamente dalla sovratensioni provenienti dalla rete dell’ente erogatore, o indotte a seguito di scariche che colpiscono direttamente l’edificio.

La protezione pertanto può essere realizzata mediante limitatori di sovratensione, da installare in prossimità del contatore (figura 5 mostra figura – Installazione dei limitatori di sovratensione in un impianto civile). In abbinamento, sono consigliabili limitatori di sovratensione per la protezione locale delle apparecchiature.

L’adozione di questi limitatori di sovratensione, da installare a monte dell’apparecchiatura, è indispensabile in caso di rete elettrica particolarmente estesa, ma anche in presenza di utilizzatori sensibili, costosi e/o con funzioni di sicurezza (impianti d’allarme, videocitofoni, personal computer, ecc.).

Per gli impianti elettrici condominiali devono essere protette le apparecchiature centralizzate quali: impianto ascensore, luci scale e portineria, citofoni, centralini d’antenna.

Spesso è opportuno installare limitatori di sovratensione in cascata, di cui il primo, con capacità di scarica elevata, subito a valle del contatore, altri, con capacità di scarica media, all’inizio dei circuiti secondari e infine altri ancora a protezione dei circuiti terminali o delle apparecchiature più sensibili. Si realizza in tal modo una protezione coordinata con il livello degli isolamenti e con i valori che le sovratensioni possono assumere nei vari punti dell’impianto.