"LA RIVISTA DELL' UNAE" - Organo Ufficiale dell'Unione Nazionale degli Albi di Qualificazione degli Installatori Italiani; N°41 Giugno1998
Autore ing. Claudio Tonellato

Gli scaricatori di sovratensione: che cosa sono, a che cosa servono, come sceglierli

 

CHE COSA SONO
Gli scaricatori di sovratensione sono dei dispositivi atti a deviare a terra i picchi di energia che si propagano nei cavi delle linee elettriche sotto forma di "onde di sovratensione". Le onde di sovratensione si spostano nelle reti elettriche a velocità estremamente elevata ( prossima della velocità della luce) e possono trasportare energie anche rilevanti; quelle di nostro interesse sono sostanzialmente da addebitarsi a due tipologie di fenomeni: i fulmini e le manovre.
Le scariche di fulmini (correnti di migliaia di ampère) in vicinanza di linee elettriche sia in alta che in media e bassa tensione (principalmente linee aeree ma anche quelle in sotterraneo se i cavi non sono adeguatamente schermati) generano forti campi magnetici che, per effetti induttivi, intrappolano nei segmenti di cavo interessati picchi di energia. Dal segmento del cavo elettrico ove è stata intrappolata l'energia si dipartono due onde di sovratensione, una in entrambe le direzioni. In analogia con le onde marine, se il circuito è interrotto in un punto (es. l'interruttore è aperto) l'onda di sovratensione rimbalza in questo punto di discontinuità, raddoppiando transitoriamente il suo valore in quel punto; quindi ritorna indietro e si accoda all'altra onda di sovratensione che già viaggiava nel verso opposto.
Anche le manovre degli organi di apertura e/o chiusura (es. interruttori, contattori, ecc.) su circuiti di potenza fortemente induttivi e/o capacitivi (es. grossi motori o trasformatori, specie se collegati al termine di un lungo tratto di linea, batterie di condensatori di rifasamento, ecc.) generano onde transitorie di sovratensione che possono raggiungere livelli energetici ragguardevoli in conseguenza di fenomeni di ferrorisonanza o di manovre non coordinate o non ben eseguite (es. il fenomeno del rimbalzo con conseguente ri-apertura ed immediata richiusura dei contatti di un contattore durante un'operazione di inserzione di una batteria di condensatori, se ripetuto, può generare sovratensioni altamente energetiche con picchi che possono raggiungere, in certe condizioni, fino a 6 volte il valore della tensione di linea).
Le onde di sovratensione conseguenti alla caduta dei fulmini hanno in genere fronti d'onda molto ripidi (qualche milionesimo di secondo per salire in cresta) ma di breve durata (qualche decina di milionesimi di secondo) mentre quelle conseguenti a manovre hanno fronti meno ripidi ma durate più lunghe (millesimi di secondo).

A CHE COSA SERVONO
Gli scaricatori di sovratensione vengono installati con il compito di evitare che le onde di sovratensione penetrino all'interno di una rete elettrica locale, intesa questa come rete interna ad un palazzo uffici, ad una abitazione, ad uno stabilimento, ad un'area adibita alla fornitura di servizi quali una stazione di benzina, un casello autostradale, un'aeroporto o quant'altro.
E' noto infatti che le onde di sovratensione provocano un'invecchiamento precoce degli isolamenti.
Dette onde vanno alla ricerca di un punto debole dell'isolamento che permetta loro di scaricare verso terra l'energia che trasportano. Se non è stato installato un dispositivo adatto allo scopo, lo scaricatore di sovratensione appunto, può indicativamente succedere quanto segue:

  1. per scariche molto energetiche si ha una perdita rapida di isolamento in un dato punto del circuito, con conseguente avvio di un corto circuito alimentato dalla rete; il punto in questione potrebbe essere quello di un cavo, un morsetto, oppure, tipico esempio, se l'onda di sovratensione energetica raggiunge la scheda di alimentazione di una apparecchiatura elettronica (es. computer, televisore, videoregistratore, macchine operatrici a controllo digitale, apparati medici, ecc.) ne provoca facilmente il guasto immediato;
  2. per scariche poco energetiche apparentemente, nell'immediato, non succede nulla, ad eccezione talvolta di eventuali inspiegabili scatti di interruttori differenziali o blocchi momentanei di apparecchiature elettroniche (es. il computer si blocca all'improvviso, devo resettare: va perduto tutto il lavoro svolto non ancora memorizzato).

Se ripetute nel tempo, le scariche di sovratensione, anche se poco energetiche, possono provocare guasti apparentemente "inspiegabili", tipici quelli alle schede elettroniche.
Nel caso dei cavi, poi, la sovratensione ripetuta provoca un continuo, lento deterioramento dell'isolamento; dopo qualche tempo ciò può innescare in qualche punto una corrente di fuga alimentata dalla tensione di rete; inizialmente la corrente è di valore trascurabile. A lungo andare il cavo si surriscalda, si ha una maggiore perdita di isolamento, fino all'innesco in quel punto di un cortocircuito alimentato dalla rete; date le elevate temperature già raggiunte dal cavo in quel punto è possibile lo sviluppo di un'incendio (le ripetute sovratensioni sono infatti una delle cause del ben noto incendio per corto circuito!) .

In conclusione, per proteggersi dalle sovratensioni due sono le vie praticabili:

  1. aumentare al massimo il grado di isolamento dei cavi e delle apparecchiature, soluzione costosa e non sempre praticabile, oppure
  2. limitare gli effetti delle sovratensioni, opportunamente installando dispositivi di protezione appositamente realizzati per questo scopo, gli scaricatori di sovratensione appunto; questa ultima soluzione è estremamente valida, razionale ed assai poco costosa.

COME SCEGLIERLI
Premessa:
Sebbene l'onda di sovratensione abbia inizio in un dato punto del cavo con un rapido aumento della tensione, anche un'onda di sovracorrente accompagna nel suo spostamento il percorso dell'onda di sovratensione; le due onde hanno analoga fisionomia e sono correlate dalla formula di Ohm: I=V/Z ove V ed I sono rispettivamente i valori istantanei di tensione e corrente di dette onde e Z è l'impedenza del cavo elettrico interessato dal loro passaggio, deducibile dai valori della induttanza L e della capacità C per unità di lunghezza del cavo (Z è pari alla radice quadrata del rapporto L/C).
Compito dello scaricatore di sovratensione, collegato la terra, è allora quello di:

  1. bloccare il passaggio di una significativa corrente di fuga tra fase e terra alla tensione nominale
  2. intercettare e lasciare passare, cioè scaricare a terra, l'onda di sovracorrente abbinata all'onda di sovratensione
  3. richiudere immediatamente il circuito riportandosi alla condizione (1.)
  4. essere in grado di ripetere varie volte dette operazioni.

La tecnologia costruttiva relativa agli scaricatori di sovratensione si è con gli anni evoluta, passando dagli scaricatori in aria libera ("spinterometri"), a scaricatori con vari tipi di dielettrico ( ad esempio a carburi di silicio "SIC").
Nel passato, onde bloccare un'eccessivo passaggio di corrente alla tensione nominale, si rendeva necessario prevedere un'interruzione in aria del circuito e ciò comportava problemi di ionizzazione e di modifica delle caratteristiche del dispositivo che limitavano la ripetitibilità degli interventi (dopo qualche scarica si deteriorano), non meno che la corrispondenza ai medesimi valori di intervento (cioè le tensioni di innesco differiscono dopo alcune scariche, specie se consecutive).
L'ultima innovativa tecnologia costruttiva degli scaricatori di sovratensione si basa su dispositivi con dielettrico senza aria, cioè senza "gap". In termini tecnici vengono chiamati "varistori ad ossidi di metallo", in inglese "MOV" = metal oxide varistors; il metallo è sostanzialmente lo zinco. In pratica, il MOV è una resistenza collegata tra fase e terra che si avvale di una caratteristica assai particolare: a tensione nominale blocca quasi totalmente la corrente di fuga (passa solo qualche di milli-ampère) ma, alla presenza dell'onda di sovratensione, apre totalmente il circuito permettendo all'onda di sovracorrente di fluire a terra; poi si richiude immediatamente (funziona come una porta, normalmente chiusa, non a chiave, c'è solo uno spiffero; quando la pressione supera un certo valore la porta si spalanca e lascia passare; cessata la pressione si richiude ed è pronta per un'analoga operazione).

 

Da quanto sopra premesso, derivano con immediatezza i criteri da adottare per la scelta di uno scaricatore di sovratensione:
Caratteristiche Qualitative:
La qualità dello scaricatore è sostanzialmente data dal

  1. numero di scariche che il dispositivo è in grado di effettuare
  2. livello di precisione che raggiunge nella limitazione dei picchi di sovratensione.

Le normative internazionali di riferimento, ufficialmente riconosciute, per gli scaricatori di sovratensione in corrente alternata sono le IEC 99 (IEC = International Electrotechnical Commission), in particolare le IEC 99-1, edizione 1991, per gli scaricatori con dielettrico in aria ("gapped arresters") e le IEC 99-4, edizione 1991, per gli scaricatori ad ossidi di zinco (MOV) senza dielettrico in aria ("arresters without gaps").
Analoghe normative di riferimento sono le americane IEEE Std C62.1, edizione 1989 (IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers) per gli scaricatori al carburo di silicio (SIL) con dielettrico in aria e le IEEE Std C62.11, edizione 1993, per gli scaricatori ad ossidi di zinco (MOV) senza dielettrico in aria. Nelle normative di cui sopra vengono dettagliatamente descritte le modalità di prova e le condizioni alle quali gli scaricatori debbono sottostare per essere classificati secondo le IEC 99 e le IEEE C62.

Si analizzano brevemente qui di seguito le caratteristiche di classificazione e prove degli scaricatori ad ossidi di zinco (MOV):

  1. Secondo le IEC 99-4 gli scaricatori "MOV" vengono classificati per classi standard con corrente nominale di scarica rispettivamente pari a 1.500 A, 2.500 A, 5.000 A, 10.000 A o 20.000 A con riferimento ad impulsi di corrente di caratteristiche pre-definite, cioè 8 microsecondi per salire rapidamente in cresta e 20 microsecondi per scendere lentamente a metà del valore di cresta (impulso 8/20). Detto impulso simula la sovratensione indotta da normali scariche atmosferiche, cioè i fulmini.
  2. Per i soli valori di corrente nominale pari a 10.000A e 20.000A (applicabili a linee di trasporto e distribuzione in alta e media tensione) gli scaricatori sono poi suddivisi in 5 Classi, da 1 a 5, n. 3 da 10 kA e n. 2 da 20 kA, che differiscono per la crescente capacità di scaricare onde energetiche (più elevata è la Classe, maggiore è l'energia di scraica sopportabile).
  3. Per simulare inoltre le onde di sovratensione indotte da scariche atmosferiche che passano estremamente vicine ai cavi, viene utilizzato un'impulso di corrente a valore elevato (dai 10 kA ai 100kA, a seconda della classificazione dello scaricatore) per un tempo dimezzato (impulso 4/10)
  4. Per simulare infine le onde di sovratensione causate da manovre di interruttori elettrici vengono utilizzati impulsi lunghi di corrente, cioè vengono fatte scaricare correnti a valore costante da 50A fino a 500 A (a seconda della classificazione dello scaricatore) per tempi predefiniti che vanno dai 500 ai 2000 microsecondi (a seconda della classificazione dello scaricatore).

Senza troppo addentrarci nelle varie sequenze di prove alle quali vengono sottoposti gli scaricatori per essere classificati secondo le IEC 99-4, indicativamente possiamo evidenziare che un ciclo base di prove prevede, tra l'altro, di sottoporre lo scaricatore ad almeno n.20 scariche 8/20 con corrente al valore nominale seguite da n.2 scariche 4/10 al valore massimo di corrente compatibile con la sua classificazione; per gli scaricatori di classe 2, 3, 4 e 5 segue inoltre una doppia scarica con impulso lungo.
Le prove sono ritenute favorevoli se lo scaricatore non presenta cedimenti e se la tensione residua, cioè quella che rimane durante la scarica del dispositivo, non supera mai il valore massimo garantito con margine del 5%.
(NB: per quanto riguarda la sovratensione, il dispositivo si comporta come uno sfioratore, evita cioè che la sovratensione superi predefiniti valori; detti valori sono indicati come "tensione residua").

IMPORTANTE:
Il valore nominale di corrente di scarica, es 10 kA, è solo un riferimento termico del dispositivo, cioè indica che lo scaricatore è in grado di sopportare senza guastarsi i cicli di prove di cui sopra. Ciò non vuol dire che il dispositivo non sia in grado di scaricare impulsi di corrente 8/20 microsecondi ad esempio da 20kA o 30 kA o 40 kA; li può certamente scaricare, il problema sta nella possibile sequenza e numero massimo di scariche consecutive ammissibili fino al raggiungimento del livello termico oltre il quale la resistenza ad ossidi di zinco del (MOV) si deteriora.
Analoga considerazione va fatta per il valore di corrente elevato, quello con la simulazione con impulsi standard 4/10 da 10 kA a 100 kA a seconda della classificazione: se infatti lo scaricatore è in grado di sopportare due scariche standard consecutive, ad es. da 40kA, lo stesso scaricatore può sicuramente sopportare a freddo una sola scarica di valore ben più elevato.

Per scegliere qualitativamete un prodotto offerto dal mercato è perciò necessario verificare se il valore nominale di corrente di scarica proposto dalla casa costruttrice è definito in accordo con le IEC 99-4 o le analoghe IEEE Std C62.11. In caso contrario verificare quante volte il dispositivo è adatto a scaricare con impulso 8/20 il valore di corrente nominale proposto (o valori di corrente standard qui sopra richiamati, ad esempio 5kA o 10kA) (per le IEC n. 20 volte) e inoltre quante volte il valore massimo di corrente con impulso rapido 4/10 e con impulso lungo (per le IEC n. 2 volte).

Caratteristiche Dimensionali
Vengono qui di seguito trattati gli scaricatori ad ossidi di zinco (MOV). Per scegliere uno scaricatore di sovratensione MOV adatto per le esigenze della propria rete, il criterio dimensionale di scelta è assai semplice e si basa sul massimo valore continuo di tensione ("COV" - Continuous Operating Voltage) tra fase e terra della linea elettrica ove verrà installato il dispositivo.
Si rammenta infatti che lo scaricatore viene inserito in parallelo alla linea e collega singolarmente a terra ciascuna fase. Se il sistema è isolato verso terra (ad esempio le linee di distribuzione a media tensione ENEL) la tensione di riferimento per la scelta dello scaricatore è la tensione massima continuativa concatenata (NB: ivi compreso il +/- 5%). Se invece il sistema è collegato a terra ed il collegamento è assolutamente certo (es. centro stella a terra franco e ripetuto), la tensione di riferimento per la scelta dello scaricatore è la tensione massima continuativa stellata (NB: ivi compreso il +/- 5%).

Per centro stella a terra non franco, es. tramite resistenze od induttanze, la tensione di riferimento di cui sopra dovrà essere valutata la più cautelativa tra i valori massimi continui possibili compresi tra la tensione stellata e la tensione concatenata.
Da rilevare come la scelta della tensione di riferimento di uno scaricatore di sovratensione debba conciliare due differenti e contrastanti esigenze:

  1. se la tensione continuativa effettiva è maggiore di quella di dimensionamento dello scaricatore, ciò comporta che la corrente che normalmente fluisce tra la fase e terra a tensione nominale (dell'ordine di pochi di milli-ampère) raggiunga valori tali da guastare il dispositivo (la crescita della corrente non è lineare ed il calore prodotto dal passaggio della corrente è proporzionale al quadrato della corrente stessa). Per transitori di tensione superiori alla tensione massima continuativa considerata per il dimensionamento del dispositivo, le Case Costruttrici di scaricatori MOV forniscono dei grafici dai quali è agevolmente indicato per quanto tempo è possibile operare (danno cioè i livelli di sovraccabilità nel tempo del dispositivo; indicativamente si va da valori del 40% in più per 1 secondo a valori del 20% in più per 100 secondi). Da questa prima osservazione verrebbe allora naturale prendere delle cautele e scegliere uno scaricatore che abbia una tensione massima continuativa di riferimento ben superiore a quella di rete; ciò tuttavia va a discapito della seconda esigenza qui di seguito esposta:
  2. maggiore è la tensione di riferimento dello scaricatore, più elevati sono i livelli di tensione residua, cioè lo scaricatore entra in azione a valori di sovratensione più elevati o, in altri termini, la soglia di sfioramento si innalza e questo automaticamente fa diminuire il livello di protezione assicurato dal dispositivo alla rete a valle. Per dare un'esempio, si prenda uno scaricatore in media tensione da 15 kV fase-terra ed una casa costruttrice leader sul mercato mondiale per questi dispositivi, la Cooper Power Systems. Si decida di utilizzare un dispositivo delle serie VariSTAR da In=10kA, Classe 1, secondo le IEC 99-4; la scelta dovrà essere fatta tra due valori:
    1. Uc (max tensione continuativa) = 15,3 kV, alla quale corrisponde una tensione di dimensionamento dello scaricatore pari a Ur= 18 kV oppure
    2. Uc =17 kV al quale corrisponde una Ur= 21 kV. Esageratamente cautelativo sarebbe infatti adottare la taglia successiva:
    3. Uc=19,5 kV al quale corrisponde Ur=24 kV.
      Nel caso 1) la tensione residua con scarica di corrente con onda 8/20 da 5kA è garantita non superiore a 53,9 kV, nel secondo a 57,2 kV e nel terzo a 66,7 kV; analogamente, con scarica di corrente 8/20 da 20kA si limita la sovratensione a 65 kV, nel caso 1), a 69 kV nel caso 2) e 80,5kV nel caso 3).

Coordinamento:
Per gli interruttori automatici ed i fusibili, il coordinamento viene effettuato sulla base dei tempi e dei valori di intervento; devono infatti scattare prima i dispositivi di protezione più vicini al punto di guasto, senza interessare i dispositivi posti più a monte.
Per gli scaricatori di sovratensione il coordinamento ha invece caratteristiche energetiche. Stabilito infatti quale è la rete che si vuole proteggere (ad es. quella di un palazzo uffici) e studiatene le caratteristiche in termini di sensibilità ai disturbi (vedere dopo al paragrafo "Gli scaricatori di sovratensione: dove installarli"), la messa in sicurezza della rete contro gli effetti nocivi delle sovratensioni comporterà installare ai morsetti più esterni dispositivi capaci di scaricare a massa senza guastarsi le onde di sovracorrente più energetiche (cioè dispositivi con valori di kA di scarica più elevati) ed ai morsetti più interni dispositivi capaci di prestazioni inferiori (valori di kA di scarica più bassi – questi dispositivi sono ovviamente meno costosi dei primi). Naturalmente ogni singolo scaricatore dovrà essere compatibile con la tensione della linea ove viene applicato, come detto in precedenza al paragrafo "Caratteristiche dimensionali".