Un limitatore di sovratensione è un dispositivo di limitazione della tensione installato su un sistema di distribuzione per limitare il picco di sovratensione transitoria che raggiunge le apparecchiature collegate. Quando un fulmine si abbatte su una linea di distribuzione o nelle sue vicinanze, o quando un'operazione di commutazione scarica l'energia induttiva accumulata, la sovratensione risultante si propaga lungo il conduttore. Senza un percorso di deviazione, la tensione transitoria attraverso l'isolamento può superare la capacità di tenuta dell'apparecchiatura e causare danni dielettrici immediati o cumulativi.
Un limitatore di sovratensione affronta specificamente questa minaccia. Fornisce un percorso a bassa impedenza verso terra per la corrente impulsiva, recuperando al contempo la sua piena capacità isolante una volta che la tensione ritorna al normale intervallo di frequenza di rete. Questa azione limita l'esposizione alla sovratensione delle apparecchiature protette a un livello corrispondente alla caratteristica di protezione del limitatore.
Due limiti sono ugualmente importanti. In primo luogo, uno scaricatore di sovratensione non è il dispositivo di protezione da sovracorrente che elimina un guasto di sistema e non può sostituire un interruttore automatico o un fusibile di protezione. In secondo luogo, nessun scaricatore garantisce che l'apparecchiatura protetta sopravviva a ogni evento transitorio. Il grado di protezione dipende dal coordinamento tra le caratteristiche dello scaricatore e il livello di isolamento del dispositivo protetto, il percorso del conduttore tra lo scaricatore e il terminale dell'apparecchiatura, la configurazione di messa a terra e la sovratensione in ingresso: tutti parametri specifici del progetto valutati rispetto a dati approvati.
FIG-01: Posizione tipica di un limitatore di sovratensione in un circuito di distribuzione, mostrato in prossimità dell'apparecchiatura di distribuzione protetta per ridurre al minimo la distanza di separazione tra il terminale del limitatore e l'isolamento dell'apparecchiatura.
I moderni scaricatori di sovratensione per la distribuzione elettrica sono costruiti attorno a colonne a disco di varistori a ossido di metallo (MOV). Il materiale del MOV, principalmente ossido di zinco con piccole aggiunte di altri ossidi metallici, presenta una relazione tensione-corrente fortemente non lineare. Alla normale tensione di rete, la colonna presenta un'impedenza molto elevata e assorbe solo una piccola corrente di dispersione. Quando un transitorio porta la tensione ai terminali al di sopra del livello di riferimento dello scaricatore, l'impedenza diminuisce drasticamente e la colonna conduce la corrente impulsiva verso la connessione di terra. Quando la tensione torna al valore normale, il MOV si ripristina automaticamente al suo stato di alta impedenza senza richiedere alcun intervento meccanico.
La colonna è alloggiata in un corpo isolante in porcellana o polimero che garantisce la distanza di dispersione esterna necessaria e protegge gli elementi attivi dall'umidità. Gli alloggiamenti in polimero sono sempre più diffusi nelle applicazioni di distribuzione perché resistono agli atti vandalici, pesano meno e sono meno soggetti a frantumarsi sotto stress meccanico.
FIG-02: Sezione trasversale concettuale che mostra la colonna MOV e il percorso di messa a terra dal terminale di linea attraverso l'elemento attivo fino al conduttore di terra: etichette, dimensioni e valori nominali specifici dipendono dalla scheda tecnica del prodotto approvata.
Le prestazioni di uno scaricatore di sovratensione dipendono fortemente dal percorso di messa a terra. La corrente impulsiva deviata attraverso la colonna MOV deve ritornare a terra attraverso il conduttore di terra, l'elettrodo di terra e il terreno. Qualsiasi impedenza in questo percorso – induttanza del conduttore, resistenza di connessione o contatto inadeguato dell'elettrodo con il terreno – contribuisce alla tensione residua rilevata ai terminali dell'apparecchiatura. La scelta del conduttore di terra, la progettazione dell'elettrodo e la verifica della resistenza di terra sono tutti requisiti specifici del progetto che devono essere conformi alle specifiche di progetto, al manuale di installazione del produttore e alle normative nazionali o di rete elettrica pertinenti in materia di messa a terra. Non viene indicato qui un valore universale di resistenza di terra, poiché il limite accettabile è determinato dalle caratteristiche di protezione dello scaricatore e dal livello di isolamento dell'apparecchiatura, entrambi variabili a seconda dell'applicazione.
Un limitatore di sovratensione svolge un ruolo distinto e complementare nello schema di protezione della rete di distribuzione. La tabella seguente riassume le sue differenze rispetto agli altri dispositivi principali di un sistema coordinato.
| Dispositivo | La minaccia principale è stata affrontata | Meccanismo di funzionamento | Stato post-operatorio | Trasporta corrente di carico? |
|---|---|---|---|---|
| Scaricatore di sovratensioni | Sovratensione transitoria (fulmini, manovre di commutazione) | Impedenza dipendente dalla tensione (morsetto MOV) | Si ripristina automaticamente; non è necessario alcun ripristino manuale. | No, la dispersione avviene solo a tensione normale. |
| Interruttore | Sovracorrente, cortocircuito, commutazione del sistema | separazione tramite contatto meccanico | Richiede richiusura manuale o automatica | Si |
| Fusibile a caduta | Sovracorrente, cortocircuito | L'elemento fusibile si scioglie, il tubo cade | Richiede la sostituzione manuale | Si |
| Isolatore/boccola | Tensione dielettrica alla frequenza di rete | Isolamento passivo | Permanente, salvo danni | Non |
Un sistema di protezione coordinato utilizza tutti questi dispositivi insieme. Rimuovere o sostituire uno qualsiasi di essi con un altro crea una lacuna che i dispositivi rimanenti non sono progettati per colmare.
La distanza fisica tra il terminale di terra di uno scaricatore di sovratensione e l'isolamento dell'apparecchiatura protetta influenza direttamente la tensione che si manifesta ai capi di tale isolamento durante una sovratensione. Una lunghezza del cavo più corta riduce l'incremento di tensione induttiva durante l'impulso di corrente a fronte rapido. Per questo motivo, gli scaricatori vengono generalmente installati il più vicino possibile al terminale protetto: presso la boccola primaria del trasformatore, presso la terminazione del cavo o nel punto di ingresso di una linea aerea in una sottostazione di distribuzione.
FIG-03: Confronto tra installazioni di scaricatori di sovratensione montate su linea e su stazione: la posizione su stazione riduce al minimo la distanza dai terminali delle apparecchiature protette, mentre la posizione su linea fornisce una protezione primaria alla linea e alle apparecchiature remote.
Gli scaricatori di sovratensione installati sulla linea svolgono una funzione di coordinamento diversa rispetto alle unità installate in stazione: riducono la sovratensione che arriva alla sottostazione assorbendo l'energia più vicino al punto di impatto del fulmine, prima che si accumuli lungo la linea. I progettisti selezionano la combinazione di scaricatori di sovratensione di linea e di stazione in base a uno studio di coordinamento che tiene conto della lunghezza della linea, della geometria della campata e dei livelli di isolamento di tutte le apparecchiature nella sezione protetta. Tale studio esula dall'ambito di una descrizione generale del prodotto e deve essere eseguito per ogni singolo progetto.
Un limitatore di sovratensione e un fusibile o un interruttore automatico sullo stesso alimentatore devono essere coordinati in modo che un evento di sovratensione non provochi l'intervento non necessario del dispositivo di protezione da sovracorrente. Poiché il limitatore devia la corrente impulsiva verso terra, il dispositivo di protezione da sovracorrente rileva solo l'eventuale corrente di fondo a frequenza industriale successiva alla sovratensione. Un limitatore di sovratensione di potenza adeguata sopprimerà o limiterà tale corrente di fondo in modo che il dispositivo di protezione da sovracorrente non intervenga. I margini di coordinamento sono confermati dalla tensione nominale del limitatore di sovratensione, dalla tensione di esercizio continuo e dalla capacità di assorbimento di energia rispetto al livello di guasto del sistema: tutti valori che provengono dalla scheda tecnica del prodotto approvato e dalle specifiche di progetto.
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Per una corretta installazione è necessario che il collegamento del terminale di linea venga effettuato con un conduttore corto e rettilineo della sezione specificata nel manuale del produttore, che il conduttore di terra segua il percorso più breve possibile fino al punto di messa a terra, che la ferramenta di montaggio venga serrata alla coppia specificata e che tutti i punti di tenuta sull'involucro vengano ispezionati per verificarne l'integrità prima della messa in tensione. Il manuale di installazione del produttore è la fonte autorevole per tutti i requisiti di collegamento meccanico ed elettrico.
I limitatori di sovratensione in servizio devono essere ispezionati periodicamente per verificare la presenza di contaminazione visibile, crepe o tracce sulla superficie dell'involucro; corrosione in corrispondenza del collegamento al terminale di terra; e spostamento della staffa di montaggio. Alcuni modelli incorporano un contatore di sovratensione o un monitor della corrente di dispersione sul terminale di terra. Laddove questi siano installati, i dati registrati (numero di operazioni e andamento della corrente di dispersione) devono essere esaminati a ogni intervallo di ispezione definito nel piano di manutenzione del progetto. Variazioni della corrente di dispersione nel tempo possono indicare infiltrazioni di umidità o un parziale degrado della colonna MOV e devono indurre ulteriori indagini secondo quanto previsto dal manuale del produttore.
L'accettazione di un'installazione di scaricatore di sovratensione deve basarsi esclusivamente sulle specifiche di progetto (che definiscono la classe di tensione nominale, la configurazione di messa a terra del sistema e il livello di protezione richiesto), sul manuale di installazione e funzionamento del produttore (che definisce i valori di coppia, le specifiche dei conduttori e le procedure di prova), sui dati di isolamento delle apparecchiature protette (che stabiliscono l'obiettivo di coordinamento) e sulla documentazione di prova prodotta durante la messa in servizio (che verifica la continuità del percorso di messa a terra, l'assenza di danni visibili e qualsiasi prova di verifica in loco richiesta dalle specifiche). Nessun'altra fonte costituisce una base di accettazione.
Le norme applicabili ai dispositivi di arresto di sovratensione e l'edizione richiesta per un progetto devono essere verificate tramite il Webstore dell'IEC , unitamente alla documentazione di progetto e al prodotto approvati.
La tabella seguente è puramente illustrativa. Descrive i modelli di sintomi che possono suggerire di indagare sulle condizioni del limitatore di sovratensione. La diagnosi effettiva richiede misurazioni, confronti con i valori di riferimento del produttore e interpretazione da parte di un tecnico qualificato. Nessuna individuazione di guasti, valutazione o esito deve essere dedotta da questa tabella senza dati specifici del sito.
| Sintomo | Primo test | Causa probabile | Azione successiva |
|---|---|---|---|
| Crepe visibili o tracce di carbonizzazione sull'involucro | Ispezione visiva dell'intera superficie dell'alloggiamento | Contaminazione prolungata, flashover o impatto meccanico | Rimuovere dal servizio; consultare i criteri di sostituzione del produttore originale. |
| Corrente di dispersione elevata o in aumento sul monitor | Confrontare i valori rilevati con i dati di riferimento OEM e con la cronologia delle tendenze. | Invecchiamento della colonna MOV, infiltrazioni di umidità o strato di contaminazione superficiale | Programmare una diagnosi dettagliata; fare riferimento al manuale del produttore. |
| Il contatore di sovratensione mostra un numero di operazioni insolitamente elevato | Verificare il conteggio rispetto all'attività prevista e alle date di registrazione. | Eventi di sovratensione ripetuti che indicano una schermatura o una messa a terra inadeguate | Commissionare un'indagine sulla messa a terra; valutare l'esposizione ai fulmini. |
| Corrosione sul morsetto o sul conduttore del terminale di terra | Ispezionare il morsetto e il conduttore; verificare le condizioni di contatto. | Tenuta inadeguata, incompatibilità galvanica o conduttore esposto | Ricollegare con l'hardware corretto; riverificare il percorso di messa a terra. |
| spostamento fisico o montaggio inclinato | Verificare la coppia di serraggio della staffa di montaggio e dei bulloni. | Carico del vento, vibrazioni o errore di installazione | Reinstallare rispettando la coppia di serraggio specificata dal produttore; ispezionare l'alloggiamento per eventuali danni da stress. |
FIG-04: Documento e pacchetto di dati illustrati che un acquirente dovrebbe preparare prima di emettere una richiesta di offerta per scaricatori di sovratensione, che includono parametri di sistema, dati di isolamento delle apparecchiature protette, progettazione della messa a terra e norme applicabili.
In fase di preparazione di una richiesta di preventivo, fornire dati completi sul sistema consente al fornitore di proporre una classe e un modello di scaricatore coordinati con l'apparecchiatura da proteggere. In genere, sono richiesti i seguenti dati.
| Inserimento RFQ | Perché è necessario | Dove trovarlo |
|---|---|---|
| Tensione nominale del sistema (kV) e disposizione della messa a terra | Determina la tensione nominale e la classe di tensione di funzionamento continuo | Scheda tecnica di rete o schema unifilare |
| Tensione massima di esercizio continuo nel punto di installazione | Garantisce che il limitatore di sovratensione non venga sollecitato dalle normali variazioni di tensione. | Documentazione sulla regolazione della tensione di rete |
| Esposizione a sovratensioni da fulmine (ingresso di linea o cavo) | Guida alla scelta della classe di viaggio rispetto alla classe di stazione | Studio di coordinamento dell'isolamento o specifica di progetto |
| Livello di isolamento impulsivo di base (BIL) delle apparecchiature protette | Definisce l'obiettivo di coordinamento che l'arrestatore deve raggiungere | Targhetta identificativa dell'apparecchiatura protetta o certificato di prova di tipo |
| Corrente di guasto potenziale nel punto di installazione | Determina la capacità di sezionamento o di tenuta ai guasti richiesta. | Studio del cortocircuito |
| Disposizione di messa a terra (solida, resistiva, risonante, TT, TN, IT) | Influisce sulla resistenza alla TOV e sulla selezione della tensione nominale | Disegno di progetto per la messa a terra |
| Condizioni ambientali (gravità dell'inquinamento, altitudine, esposizione ai raggi UV) | Influisce sulla classe di resistenza al movimento di scorrimento dell'abitazione e sulla scelta dei materiali. | Indagine ambientale del sito |
| Configurazione di montaggio (cima del palo, struttura della sottostazione, scatola di derivazione) | Determina il design dell'alloggiamento e la ferramenta di montaggio | Disegno della planimetria del sito |
| Norme richieste (edizione IEC, ANSI, specifiche di utilità) | Garantisce la conformità ai requisiti del progetto e del codice di griglia. | Specifiche del progetto |
Nell'ingegneria della distribuzione, il termine "scaricatore di sovratensione" si riferisce a un dispositivo installato su sistemi di media o alta tensione per limitare le sovratensioni transitorie a livello di rete, utilizzando una colonna MOV con una classificazione di tensione adeguata al sistema. Il termine "protezione dalle sovratensioni" si riferisce in genere a dispositivi a bassa tensione, da installare a spina o a pannello, a livello di apparecchiatura all'interno degli edifici. I due dispositivi funzionano secondo principi simili, basati sui MOV, ma differiscono per classe di tensione, capacità energetica, metodo di montaggio e normative che ne regolano i test e la classificazione. Si rivolgono a punti diversi della catena di fornitura e non sono intercambiabili.
No. Un limitatore di sovratensione limita le sovratensioni transitorie; non interrompe le sovracorrenti continue o le correnti di guasto. Per queste funzioni è necessario un fusibile o un interruttore automatico. Rimuovere la protezione da sovracorrente da una linea di alimentazione dotata solo di un limitatore di sovratensione espone la linea e le apparecchiature collegate a danni da guasto che il limitatore non è progettato per prevenire. Tutti e tre i tipi di dispositivi svolgono ruoli definiti e complementari in uno schema di protezione coordinato e devono essere utilizzati insieme.
Minore è la lunghezza totale del cavo dal terminale di linea, attraverso lo scaricatore e il conduttore di terra, fino al terminale dell'apparecchiatura protetta, minore sarà l'incremento di tensione induttiva durante una sovratensione a fronte rapido. I progettisti specificano la distanza di separazione massima accettabile in base allo studio di coordinamento dell'isolamento per la specifica installazione. In linea di principio, lo scaricatore dovrebbe essere montato il più vicino possibile al terminale protetto, compatibilmente con la configurazione fisica, e il conduttore di terra dovrebbe seguire il percorso più breve e diretto verso il punto di messa a terra.
Un limitatore di sovratensione MOV correttamente funzionante si ripristina automaticamente al suo stato di alta impedenza una volta che il transitorio è passato e la tensione è tornata alla frequenza di rete. A differenza di un fusibile, non richiede la sostituzione dopo un singolo intervento. Tuttavia, eventi molto energetici o sovratensioni ripetute possono causare un degrado cumulativo del materiale MOV. Il monitoraggio dell'andamento della corrente di dispersione e delle letture del contatore di sovratensione agli intervalli definiti nel piano di manutenzione del progetto fornisce un'indicazione precoce delle condizioni della colonna e dovrebbe essere una pratica standard ovunque sia installato un sistema di monitoraggio.
Come minimo, richiedere la scheda tecnica del prodotto che confermi la tensione nominale, la tensione di esercizio continuo, le caratteristiche di protezione e la classe di involucro; il rapporto di prova rilasciato secondo l'edizione applicabile della norma IEC 60099-4 o la norma specificata per il progetto; il manuale di installazione e funzionamento; e la dichiarazione di conformità per la norma dichiarata. Per gli ordini specifici per un progetto, richiedere anche i certificati di prova di tipo e, ove richiesto dalle specifiche, i registri delle prove di routine per il lotto consegnato. Questi documenti costituiscono la base per la revisione di accettazione e devono essere conservati insieme alla documentazione di progetto per tutta la vita operativa dell'apparecchiatura.
