FULMINAZIONE DIRETTA E INDIRETTA – STUDIO DELLE SOVRATENSIONI

KiwiSDR Receiving Station in ITALY of Antonio IU8CRI su Antenna MORGAIN

FULMINAZIONE DIRETTA E INDIRETTA – STUDIO DELLE SOVRATENSIONI  Gli scaricatori di sovratensioni vengono denominati tecnicamente SPD con l’acronimo aglosassone di Surge Protective Device.

 – APPROFONDIMENTO –

La teoria e gli studi scientifici di un CERTO argomento ci fanno capire tante cose prima di metterle in pratica e di usarlE per la soluzione dei problemi REALI CON LA PROGETTAZIONE DI APPARECCHIATURE SPECIFICHE. 

Pubblico questo mio approfondimento, relativamente alla protezione da sovratensioni esclusivamente per condividere le mie sperimentazioni e soluzioni che ho adottato per mio uso e consumo e non vuole essere, ne una guida, ne un riferimento per la realizzazione in proprio di scaricatori di sovratensione o di apparecchi simili. Ciascuno dei lettori potrà utilizzare come meglio crede le mie sperimentazione, ma a suo rischio e pericolo, sollevando il sottoscritto autore dell’articolo da qualunque responsabilità. Trattandosi di realizzazioni di apparati sperimentali che ho già realizzato o realizzerò successivamente alla pubblicazione del presente articolo, non sono apparati destinati all’uso in private abitazioni o in altri ambienti di lavoro, ma esclusivamente ad uso didattico-sperimentale.

In questo articolo vi sono riferimenti Bibliografici ad una pubblicazione, dispensa, dell’ UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI MESSINA, Dipartimento di Ingegneria, Contrada Di Dio I, 98166 – Villaggio S. Agata Messina – Appunti Corso di Sistemi Elettrici, Capitolo 11. La protezione contro le sovratensioni. Capire i problemi e individuare le soluzioni di progetto per risolverli.

Nel mio articolo “COSTRUZIONE SCARICATORE SOVRATENSIONI TIPO 2 PER STAZIONE RADIO” è stata trattata, in parte la problematica relativa alle sovratensioni che possono arrivare nella stazione radio e danneggiare gli apparati collegati alla rete elettrica, con la costruzione sperimentale di uno scaricatore di sovratensioni di TIPO 2. Con questo articolo inizia la trattazione delle soluzioni  che riguardo le fulminazioni di tipo indiretto e diretto, che possono interessare la stazione radio ed anche casa propria (rete elettrica, rete telefonica, rete L.A.N., linea discesa antenne TV, linea discesa o entranti in stazione radio delle antenne Radioamatoriali) con la soluzione di apparecchi specifici per ciascuna problematica (Scaricatori di Sovratensione, SPD con l’acronimo di Surge Protective Device). I requisiti di sicurezza, necessari per utilizzare gli scaricatori descritti nell’articolo, è di verificare di avere una messa a terra sicura ed efficace, se vi sono dubbi in merito alla sua efficienza, (senza perdere tempo in verifiche che possono essere anche costose) installare una nuova messa a terra che si collegherà all’impianto elettrico di casa o della stazione radio. Articolo di riferimento : Messa a Terra Stazione Radio e Mappa caduta Fulmini

Elenco delle costruzioni sperimentali, delle seguenti apparecchiature, che verranno condivisi con articoli pubblicati sul blog:

ANALISI DELLA  PROBLEMATICA

Inizio con una precisazione, le sovratensioni, non sono duvute esclusivamente ad eventi atmosferici, quale l’attività elettrica da fulmini, ma spesso e per tutto l’arco della giornata, da Sovratensioni di Manovra (transienti, picchi anche elevati di tensione, presenti sulla rete elettrica) che approfondisco in questo articolo.

Genericamente le sovratensioni arrivano all’interno delle nostre abitazioni, principalmente, attraverso le linee elettriche e le linee telefoniche (vi sono anche altre fonti con cui le sovratensioni entrano in casa, antenna TV, linea di fornitura del gas, linea di fornitura acqua, impianto fotovoltaico, linee esterne delle telecamere, linee esterne dell’antifurto, linee esterne di illuminazione giardino, linee esterne del citofono o videocitofono, eventi di campo elettromagnetico indotto).

Se non sono state adottate le opportune soluzioni, quelle previste anche dalla norma di legge vigente e altre protezioni utili (SPD). Segue una valutazione più dettagliata delle cause che generano le sovratensioni.

FULMINAZIONE DIRETTA DELL’EDIFICIO

Se l’edificio è dotato di impianto parafulmine (LPS Lightning Protection System, esterno o impianto di protezione contro le scariche atmosferiche dirette) il fulmine viene scaricato a terra portando in tensione l’impianto di terra e tutto ciò a cui esso è collegato. Con la fulminazione diretta si verifica sia l’accoppiamento induttivo, per esempio tra la calata di terra e una conduttura che scorre parallela ad essa, che l’accoppiamento resistivo per esempio tra la calata di terra e la tubatura del gas.
Le sovratensioni che nascono per accoppiamento resistivo possono generare scariche pericolose perché contengono energia sufficiente ad innescare un incendio o distruggere le apparecchiature. L’accoppiamento resistivo tra le parti conduttrici determina inoltre la nascita di tensioni pericolose di passo e di contatto. Le tensioni di passo hanno andamento decrescente e sono pericolose sia per gli esseri umani che per gli animali.

FULMINAZIONE INDIRETTA DELL’EDIFICIO

In questo caso si parla solamente di accoppiamento induttivo. Le sovratensioni sono generate dal campo magnetico associato alla corrente di fulmine che si concatena alle parti metalliche conduttrici dell’edificio.

FULMINAZIONE DIRETTA DELLA LINEA

La corrente di fulmine viene partizionata in parti uguali nei due sensi, passa attraverso il trasformatore MT/BT (Media Tensione e Bassa Tensione) e genera delle sovratensioni su tutto ciò che è collegato verso terra.

FULMINAZIONE INDIRETTA DELLA LINEA (accoppiamento induttivo)
Le sovratensioni indotte, che hanno ampiezza variabile tra 3÷5 kV, non hanno energia sufficiente per innescare l’incendio,ma possono distruggere le apparecchiature.

SOVRATENSIONI DI MANOVRA

Le sovratensioni di manovra nascono dal normale funzionamento delle linee elettriche, ad esempio dalla manovra di interruttori (apertura o chiusura), sono causate da brusche variazioni di carico (inserzione di grossi carichi), arresto o marcia di motori, o brusche variazioni sulla rete come i cortocircuiti.

L’andamento della sovratensione è oscillatorio smorzato, con transitori molto ripidi la cui durata può essere nell’ordine dei μs. In questa categoria possiamo racchiudere le sovratensioni a frequenza industriale dovute a guasti in cabina o lungo la linea. Dalle prime si differenziano per la durata, molto maggiore, e per la frequenza: 50-60 Hz.

Queste sovratensioni sono caratterizzate da ampiezze che variano tra i 2.5÷4 kV. Sono sempre presenti sulle linee di distribuzione.

Durata delle Sovratensioni Transitorie. Il fenomeno delle Microinterruzioni e delle Armoniche ha durata nell’ordine delle centinaia di milli secondi (mS), invece la durata delle Sovratensioni da commutazione (o da manovre che esegue ENEL), Fulminazione indiretta e Fulminazione diretta, sono nell’ordine delle centinaia di micro secondi (milionesimi di secondo).

Forse non tutti lo sanno, che sulla linea telefonica, se hai una linea ADSL in casa per la navigazione su  internet, hai anche uno Spinterometro sulla linea Telecom, nel filtro ADSL a monte del modem, che dalla linea telefonica entrante, collegata alla cassetta di distribuzione esterna, arriva fino dentro casa. Questa che segue, è la foto dell’interno del filtro ADSL aperto, dove chiaramente è visibile, in parallelo alla linea telefonica entrante, uno spinterometro a gas.

E’ chiaro che per fermare le sovratensioni presenti sulle linee entranti dei nostri impianti, sia elettrici che telefonici,  che di antenna, occorre uno scaricatore (uno spinterometro a gas), vi sono anche quelli in aria, ma l’innesco (cioè la tensione a cui si forma l’arco voltaico) non è stabile ed è soggetta alle condizione dell’aria se è più umida o meno umida.

Lo spinterometro a gas, invece, è sigillato e di solito contiene gas argon, che rende più stabile l’innesco dell’arco. Sono in commercio scaricatori con varie tensioni di innesco dell’arco, per esempio, lo scaricatore presente nel filtro ADSL per le linee telefoniche, ha un’innesco compreso tra 60 e 90 Volts.

Gli scaricatori di sovratensioni vengono denominati tecnicamente SPD con l’acronimo aglosassone di Surge Protective Device. L’ SPD è un dispositivo che viene installato in un circuito per limitare gli effetti delle sovratensioni. Gli SPD presentano un’impedenza variabile in funzione della tensione applicata ai loro capi. Un SPD può essere collegato tra i conduttori di fase e terra o tra fase e neutro o tra neutro e terra.

L’installazione della protezione può essere di “modo comune”, quando l’SPD è installato tra i conduttori di fase e terra e tra il neutro isolato e terra, oppure in “modo differenziale”, quando l’SPD è installato tra i conduttori di fase o tra fase e neutro isolato. Concetti complicati in teoria ma nella pratica è tutto più semplice.

LPS, Lightning Protection System, sistema esterno e sistema interno, di protezione contro le scariche atmosferiche dirette o indirette.

Elementi di un sistema LPS di protezione 

Classificazione degli scaricatori di sovratensioni (per impianti elettrici)

La classe di un SPD è determinata dalle prove a cui il dispositivo è stato sottoposto per simulare le reali condizioni di impiego.

TIPO 1

Costruiti per sopportare correnti di fulmine, sono provati con una corrente di prova con forma d’onda 10/350 microsecondi. Possono gestire correnti 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,(o impianto di protezione contro le scariche atmosferiche dirette) sulle linee aeree entranti nelle strutture con l’ultimo tratto interrato inferiore a 150 m e sui quadri elettrici sia primari che secondari collegati all’LPS esterno (o impianto di protezione contro le scariche atmosferiche dirette).

TIPO 2

Sono provati con una corrente di prova con forma d’onda 8/20 microsecondi, sia per la verifica della corrente nominale di scarica In sia di quella massima Imax. Non sono adatti alla protezione contro le scariche dirette ma possono essere impiegati quando si debbano scaricare correnti provocate da sovratensioni indotte: all’ingresso delle linee di alimentazione delle strutture senza LPS esterno (o impianto di protezione contro le scariche atmosferiche dirette), nei quadri secondari se distano più di 20 m dal quadro principale.

TIPO 3

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 classe II, installati nelle vicinanze delle apparecchiature da proteggere.
Viene indicata anche come CLASSE. La TICINO così spiega, citando anche la normativa.

Classe I: è la classe di protezione di un SPD, definita dalla norma IEC 61643-1 per cui è garantita la protezione contro la fulminazione diretta. Gli SPD sono provati con una corrente di impulso Iimp con forma d’onda 10/ 350μs.

Classe II: è la classe di protezione di un SPD, definita dalla norma IEC 61643-1 per cui è garantita la protezione contro la fulminazione indiretta. Gli SPD sono provati con una corrente nominale di scarica In con forma d’onda 8/20μs.

Classe III: è la classe di protezione di uno SPD, definita dalla norma IEC 61643-1 per cui è garantita la protezione contro le sovratensioni transitorie. Gli SPD sono provati con un generatore di tensione combinato, con forma d’onda 1.2/50μs e corrente con forma d’onda 8/20μs.

Nel caso nostro specifico della stazione radio gli scaricatori di sovratensioni utilizzati saranno quelli di TIPO 1, 2 e 3  usati per proteggere da fulminazione diretta o indiretta gli impianti e di solito gli scaricatori di TIPO 1, vengono  installati a monte, sia dell’impianto elettrico, subito dopo il contatore, sia della linea telefonica, prima del modem ADSL o FIBRA, in modo tale che l’arco che si innesca sullo scaricatore, blocchi la sovratensione prima che arrivi alle apparecchiature ed anche agli interruttori differenziali e degli interruttori magnetotermici.

Gli scaricatori di TIPO 2 sono installati nel percorso intermedio, dopo il contatore ma a monte del quadro di controllo presente nella stazione radio o nell’abitazione, prima dell’interuttore differenziale o dell’interruttore magneto termico.

Mentre il TIPO 3 è sempre collegato nella presa elettrica terminale a cui sono collegate le apparecchiature elettroniche, all’interno delle prese elettriche, in parallelo a Fase Neutro e Messa a Terra.

Per avere un arresto completo delle sovratensioni, di solito non basta solo lo spinterometro, ma nella catena di arresto, della sovratensione, vengono usati altri componenti con compiti specifici per la soppressione della sovratensione, il varistore e i diodi soppressori di transienti.

Caratteristiche di uno spinterometro a gas e il suo simbolo

Caratteristiche tipiche di un Varistore e il suo simbolo

Caratteristiche di un Diodo Soppressore di Transienti con il simbolo

Segue un grafico, che rappresenta le varie fasi di trattamento della sovratensione, man mano che passa tra lo Spinterometro, il Varistore ed infine il Diodo Soppressore di Transienti, con una chiara indicazione dell’abbassamento della sovratensione nei passaggi tra le componenti attive (Spinterometro, Varistore, Diodo Soppressore) click sul grafico per ingrandire.

FINE TEORIA! SI PASSA ALLA PRATICA CON GLI ARTICOLI DI COSTRUZIONE!

Elenco delle costruzioni sperimentali, delle seguenti apparecchiature, che verranno condivisi con articoli pubblicati sul blog:

COSTRUIRE UNO SCARICATORE DI TIPO 1 CON SPINTEROMETRO PER STAZIONE RADIO – Aggiornato

COSTRUZIONE SCARICATORE SOVRATENSIONI TIPO 2 PER STAZIONE RADIO

COSTRUZIONE DI UNA SEMPLICE PROTEZIONE SOVRATENSIONE DI TIPO 3 in una spina

73 da Antonio IU8CRI

BIBLIOGRAFIA:

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI MESSINA
Dipartimento di Ingegneria
Contrada Di Dio I, 98166 – Villaggio S. Agata Messina
Appunti Corso di Sistemi Elettrici
Capitolo 11. La protezione contro le sovratensioni
Anno Accademico 2015-2016
Pubblicazione completa in formato PDF:
INAIL
Impianti di protezione contro le scariche atmosferiche
Valutazione del rischio e verifiche

 

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