"LA RIVISTA DELL' UNAE" - Organo Ufficiale dell'Unione Nazionale degli Albi di Qualificazione degli Installatori Italiani; N°42 Settembre 1998
Autore ing. Claudio Tonellato

 

Gli scaricatori di sovratensione: dove e come installarli

DOVE INSTALLARLI:
Gli scaricatori di sovratensione vanno installati in corrispondenza del primo morsetto utile di cavi elettrici entranti.
Ipotizziamo che la rete da proteggere sia quella, ad es. di un palazzo uffici in acciaio-cemento: la rete elettrica all'interno dl palazzo è da considerarsi quasi insensibile ai campi magnetici esterni prodotti dai fulmini poiché la struttura del palazzo si comporta, salvo casi particolari, come una "gabbia di Faraday" (per gli impianti parafulmini, se esistenti, per la struttura in ferro-cemento ancorata a terra, per la rete di tubi metallici dell'acqua in contatto con la terra, ecc.); non essendoci poi all'interno organi di manovra tali da creare sovratensioni di manovra significative, si può ragionevolmente affermare che all'interno del palazzo non si creano sovratensioni pericolose. L'unica possibilità allora che la rete elettrica interna del palazzo venga interessata da grossi fenomeni di sovratensioni è che dette sovratensioni entrino nel palazzo dall'esterno, per tramite dell'unico possibile veicolo: i cavi elettrici. Ve ne sono sostanzialmente di due tipologie: gli arrivi linea ed i cavi alimentanti utenze esterne.

I cavi di arrivo linea:
(sia in media sia in bassa tensione)
Dagli arrivi linea possono entrare sia sovratensioni di origine atmosferica (da fulmini) sia quelle di manovra. Per quelle di origine atmosferica vale il calcolo probabilistico, con maggiori probabilità che si generino sovratensioni in luoghi esposti, in aree cioè abitualmente interessate da temporali (tipicamente, in Italia, le aree pedemontane delle Alpi e degli Appennini). La loro propagazione dipende dalle caratteristiche della rete elettrica esterna.

Per le sovratensioni originate da manovre vale la presenza in quell'area (fisicamente potrebbe essere anche molto grande) di grosse utenze elettriche (fabbriche con grossi motori, trasformatori, ecc.). In certi particolari casi tuttavia, anche il ripristino della tensione di rete da parte dell'Ente erogante a seguito di una precedente improvvisa interruzione (es. per guasto, per caduta fulmini sulle linee, ecc.) può dare luogo a fenomeni di risonanza e di sovratensione (è funzione dell'entità e dello stato dei carichi induttivi e capacitivi in quel preciso momento allacciati alla rete).

Per proteggere allora la rete elettrica interna da eventuali onde di sovratensione provenienti dalla rete esterna bisogna inserire scaricatori di sovratensione al primo morsetto utile, il più esterno possibile, dell'arrivo linea. Se vi sono trasformatori in media tensione di proprietà (cioè non sono di proprietà dell'Ente erogante) è consigliabile installare una terna di scaricatori monofasi in media tensione direttamente sul trasformatore o nelle sue immediate vicinanze ed uno scaricatore trifase in bassa tensione, anch'esso direttamente sul trasformatore.

Anche se questo può sembrare ridondante, il basso costo dei dispositivi rapportato all'elevato costo di un guasto al trasformatore ampiamente giustifica queste precauzioni. Si osserva infine che gli Enti erogatori non possono tecnicamente assicurare che la linea sia esente da sovratensioni; può infatti risultare che una linea esterna sia correttamente protetta da scaricatori di sovratensione e che questi, in conseguenza a sequenze di fulmini ravvicinate nel tempo e nello spazio, intervengano correttamente a protezione della linea ma fino al momento in cui raggiungano il livello termico massimo sopportabile e poi si guastino.
Non dimentichiamo che le protezioni contro le sovratensioni da fulmini si basano su presupposti probabilistici; proteggere sempre ai massimi valori sarebbe, ammesso che ciò sia possibile, assolutamente antieconomico.

ANNOTAZIONE 1:
Le onde di sovratensione vengono solo smorzate dai trasformatori di isolamento e non certo annullate. Se l'onda di sovratensione ha valori energetici elevati, la quota parte che passa al secondario può provocare effetti tutt'altro che trascurabili.

ANNOTAZIONE 2:
La potenza della linea e del trasformatore non va messa in diretta relazione con la maggiore o minore probabilità di ricevere sovratensioni in ingresso. Più in generale, non è la sezione del cavo ma il percorso che il cavo compie all'esterno prima di entrare nella rete elettrica interna a condizionare l'ampiezza della eventuale sovratensione in ingresso.

I cavi che alimentano utenze esterne :
Si intendono le utenze che sono situate al di fuori del fabbricato uffici (quello da proteggere, nell'esempio precedente) che vengono alimentate da interruttori posti in quadri situati all'interno dello stesso fabbricato.
Se il percorso esterno di detti cavi è particolarmente esposto (vale anche per cavo sotto terra, se non è schermato!) può capitare che possono esservi onde di sovratensione indotte durante violenti temporali per effetto di campi magnetici intensi dovuti alla caduta di fulmini. Se i cavi esterni non hanno eccessiva lunghezza (poche decine di metri, dipende molto dall'esposizione e dal sito) è poco probabile che l'onda di sovratensione abbia contenuto energetico così elevato da provocare guasti evidenti ed immediati.
E' più frequente invece annoverarle tra quelle poco energetiche che, se ripetute nel tempo, provocano tuttavia anche loro inconvenienti con effetti non trascurabili (come in precedenza citato al paragrafo "I cavi di arrivo in linea").
Tipici esempi di utenze esterne che potrebbero essere sensibili ai campi magnetici e quindi apportatrici di onde di sovratensione sono i seguenti: i gruppi di evaporazione posti sui tetti dei palazzi, specie se questi sono di altezza elevata; le reti esterne di illuminazione di parchi, parcheggi, piscine, insegne luminose, segnaletica, passi carrai, circuiti anti-intrusione, ecc.

Si sottolinea il concetto che non tutto quanto è all'esterno è da considerarsi a rischio: una semplice lampada alla finestra ha ben poca (se non nulla) probabilità di portare in casa sovratensioni; un'insegna luminosa invece, posta per esempio vicino ad un casello autostradale esterno alla città, ha invece qualche probabilità di raccogliere sovratensioni; se detto casello è poi situato in una località particolarmente esposta ai fulmini, le sovratensioni possono essere non solo probabili ma anche con effetti dannosi subito evidenti.

Eseguito pertanto uno studio del percorso elettrico e fisico dei cavi esterni ed individuati quelli più a rischio, è consigliabile stendere una rete di protezione contro le sovratensioni; ciò equivale a inserire uno scaricatore di sovratensione al primo e più esterno morsetto utile ove va ad ammararsi o il singolo cavo o più cavi di analoghe utenze (ad esempio, un'impianto di illuminazione esterna avrà svariate lampade che faranno capo ad altrettanti cavi; se tuttavia questi cavi sono portati in morsettiera e da qui fanno tutti capo ad un solo interruttore, è sufficiente inserire un solo scaricatore direttamente al morsetto a valle dell'interruttore).

Sulla base delle precedenti considerazioni si può subito constatare che il numero di dispositivi necessario per mettere in sicurezza, ad esempio, un palazzo è assai limitato (cioè bastano poche unità, pochi scaricatori) e che quindi il costo complessivo dell'operazione è trascurabile, specie se rapportato a disagi, alla mancata produzione, ai guasti o quant'altro le onde di sovratensione possono provocare.

Per completezza, proprio ed anche in relazione al limitato costo dei dispositivi in oggetto, si ritiene consigliabile agire con una certa ridondanza, inserendo anche qualche altro dispositivo (magari di minori prestazioni energetiche) all'interno della rete locale, ad esempio in corrispondenza all'interruttore generale che alimenta il centro di calcolo elettronico, o quello che alimenta un'area con macchine a controllo numerico di valore cospicuo o quello che alimenta i gruppi stabilizzatori e di continuità (NB: in passato vi era un trasformatore di isolamento all'ingresso di ogni gruppo di continuità, ciò che limitava l'effetto delle sovratensioni; attualmente il trasformatore non viene in genere più inserito (è troppo costoso) e la sua mancanza può consentire che sovratensioni energetiche possano mettere fuori servizio il gruppo, proprio quando questo dovrebbe servire!), o quant'altro.

ANNOTAZIONE 1:
Tutte le apparecchiature elettroniche di un certo valore (es. i computer delle migliori marche) hanno (o dovrebbero avere) inserito nella scheda di alimentazione, all'arrivo linea, un piccolo scaricatore di sovratensione (ha in genere la grandezza di un bottone).

Per il principio del coordinamento in precedenza richiamato al paragrafo "Coordinamento" del precedente articolo, ciò è validissimo.

Non si può tuttavia pretendere che il povero bottoncino sia in grado di scaricare senza guastarsi anche onde di sovratensione di energia più elevata di quella che egli può sopportare; questo compito deve essere infatti addossato a scaricatori più esterni maggiormente dimensionati.

ANNOTAZIONE 2 :
Mettere qualche scaricatore qua e là serve ma non è soluzione valida se il numero e la dislocazione non garantisce la messa in sicurezza minima del complesso da proteggere. Il metterne uno per ciascuna singola utenza non è pure ragionevole in quanto il dispositivo è dimensionato per livelli energetici elevati, il grado di ridondanza sarebbe eccessivo ed il costo dell'operazione inutilmente elevato; se invece vengono installati dispositivi dimensionati per livelli energetici bassi (costano meno) ciò equivale più o meno al bottoncino sopra citato all'Annotazione 1: per piccole sovratensioni lavora benissimo ma per quelle maggiori si guasta, togliendo all'apparecchiatura il suo effetto protettivo proprio nel momento in cui più ne avrebbe avuto bisogno!

Si ribadisce pertanto che la soluzione di installare un limitato gruppo di scaricatori ad elevato potere di scarica ai morsetti esterni (elettricamente parlando, fisicamente potranno ben essere all'interno di un quadro) più qualche unità, a più basso potere di scarica, per maggior sicurezza in corrispondenza di nodi interni particolarmente sensibili, sia tecnicamente ottimale, di rapida installazione e, soprattutto, di costo assai limitato e comunque nettamente inferiore al costo per mancata produzione o per qualsiasi intervento di riparazione guasti.

ANNOTAZIONE 3:
La cifra di spesa per installare gli scaricatori di sovratensione c'è già nel budget, solo che compare inserita sotto altre voci, quali potrebbero essere "Manutenzione ordinaria e straordinari", "Mancata produzione", "Imprevisti", ecc.

 

COME INSTALLARLI:
Premessa
Gli scaricatori di sovratensione ad ossidi di zinco (MOV) di norma evidenziano in modo attivo il loro eventuale stato di guasto.

Il guasto avviene per il fatto che la pastiglia ad ossidi di zinco, cuore del dispositivo, fa mancare il blocco alla tensione nominale, ciò equivale ad un rapido innesco di un corto circuito secco tra fase e terra.

Per scaricatori in alta/media tensione alcune case costruttrici forniscono un aggeggio opzionale (chiamato "isolatore-sconnettore") inserito nella parte a valle dello scaricatore, atto ad interromperne il collegamento verso terra quando si innesca il corto circuito.

Assodato che gli scaricatori di sovratensione quando si guastano creano corto circuito tra fase e terra, resta da definire quali siano le modalità più opportune ed economiche di una loro installazione, cioè come installarli.

Ci si riferisce qui alle sole utenze private in media e bassa tensione (le modalità di inserzione degli scaricatori nelle reti gestite dagli Enti erogatori di energia elettrica fanno capo a specifiche normative loro interne che esulano dalla presente memoria).

Il quesito di cui sopra si sintetizza nel decidere se prevedere o no il disinserimento automatico dello scaricatore dalla linea in caso di un suo guasto. Il problema non ha soluzione univoca.

A nostro avviso è utile effettuare un'analisi probabilistica della situazione: se lo scaricatore è piazzato sull'arrivo linea e se l'utenza a valle, quella per intenderci protetta dallo scaricatore che si è guastato (NB: si è guastato proprio perché è correttamente intervenuto e l'ha protetta fino a quando ha potuto, fino cioè al suo massimo limite termico costruttivamente ammesso!) è tale da non dover essere interrotta (es. un trasformatore di un'ospedale, a meno che gli altri trasfo in parallelo non siano sovrabbondanti in numero e potenza), allora è preferibile che intervenga un dispositivo di sezionamento rapido che interrompa automaticamente il corto circuito tra linea e massa (sconnettore o interruttore automatico o fusibili).

Da questi dispositivi di sezionamento è poi possibile ricavare segnalazioni di "scaricatore guasto".

Nel caso invece in cui sussistano in contemporanea sia la scarsissima probabilità che il dispositivo debba scaricare svariate ed elevate onde di sovracorrente entro tempi ristretti (vedere al proposito i test termici di classificazione degli scaricatori secondo le norme IEC 99-4, citati in precedenza al capitolo C) paragrafo a) sia inoltre la non essenziale necessità di dover ripristinare immediatamente la tensione (si deve dare tempo ad un tecnico almeno di scollegare il dispositivo guasto, l'inserzione di uno nuovo potendo essere rinviata) è molto più economico e rapido inserire lo scaricatore tra fase e terra senza protezione specifica alcuna.

Per poterci mettere mano (non può essere in tensione) lo scaricatore dovrà, in questo caso, essere inserito sì al primo e più esterno morsetto utile ma comunque a valle del primo interruttore automatico di linea.

ANNOTAZIONE 1:
Bassa tensione
Se si reputa più opportuno inserire una protezione specifica di sezionamento (es. per luoghi esposti a frequenti ed elevate sovratensioni) è preferibile che detto dispositivo (interruttore automatico o sezionatore con fusibili) sia inserito a monte, cioè tra linea e scaricatore, in quanto un suo intervento scollegherebbe automaticamente lo scaricatore dalla linea in tensione.

Se infatti lo stesso si mettesse tra lo scaricatore e terra (il risparmio economico è dovuto al fatto che, essendo il cavo che va a terra in comune alle fasi, si deve interrompere un solo cavo, basta cioè un solo dispositivo di sezionamento unipolare), in caso di scaricatore guasto, cioè in corto circuito, quest'ultimo rimarrebbe comunque sotto tensione e, con esso, anche il morsetto a monte del dispositivo di sezionamento. Ciò può essere pericoloso per un'operatore non avveduto (e comunque detto morsetto a monte dovrebbe essere fisicamente protetto).

ANNOTAZIONE 2:
Dimensionamento dispositivi di sezionamento automatico: interruttore o fusibili
L'interruttore o i fusibili che vengono inseriti tra la linea e lo scaricatore di sovratensione per ottenere il distacco rapido dello scaricatore dalla linea in caso di un suo guasto (equivalente ad un corto circuito franco tra linea e terra), va dimensionato per aprire ed interrompere la corrente di corto circuito adeguatamente (senza esplodere).

La corrente continuativa infatti per tensione nominale che attraversa detti dispositivi è del tutto trascurabile (frazioni di milli-ampère).

Le onde di sovracorrente che eventualmente attraversano il dispositivo non portano a particolare surdimensionamento in quanto, pur essendo di qualche migliaio di ampère, hanno durate indicative di qualche milionesimo di secondo.

ANNOTAZIONE 3:
E' recentemente valsa l'abitudine in alcuni Committenti di far inserire uno scaricatore di sovratensione all'arrivo linea di ogni nuovo quadro elettrico, indipendentemente da dove detto quadro verrà inserito nella rete interna. Ciò non sembra essere razionale: se infatti vengono installati, ad esempio, 5 nuovi quadri tutti all'interno di un palazzo e, sempre nel nostro esempio, circuitalmente essi sono collegati in serie, ciò equivarrebbe, per analogia, mettere 5 identici fusibili in serie, con un'inutile sovra-protezione.