"Rivista dell' Assistal" - Associazione Nazionale Costruttori di Impianti - n°4 Anno XVI Aprile 1999

Scaricatori di sovratensione

 

Premessa
Violenti temporali, fulmini saettanti, sordo fragore del tuono, scrosci di pioggia. Sensazioni forti, che si ripetono abitualmente in primavera e, più violente, nel bel mezzo dell'estate. Fenomeni della natura che incutono in alcuni sentimenti di meraviglia ed apprensione, in altri un'allegra eccitazione. Ma per gli impianti elettrici, e per l'elettronica in particolare, sono bastonate! 

Fulminazioni dirette
Il fulmine che colpisce direttamente la casa o lo stabilimento è evenienza assai rara che, se ritenuta probabile e, nel contempo, può comportare rischi importanti, impone l'adozione di appropriati sistemi di captazione, cioè i parafulmini, come da Normative CEI 81.1 e .4 

Sovratensioni indotte 
I forti campi magnetici generati dai fulmini, anche se scoccano tra nuvola e nuvola, hanno in genere estensioni notevoli che possono interessare cavi elettrici esterni quali i cavi di arrivo linea, in media e bassa tensione, cavi di collegamento tra fabbricati, cavi che alimentano utenze esterne ai fabbricati quali impianti di illuminazione, insegne luminose, pompe, evaporatori, passi carrai motorizzati, ecc. 
Dalle porzioni di cavo interessate dal campo magnetico, indipendentemente dalla sezione e lunghezza del cavo, dal livello di tensione o dal tipo di conduttore (con l'eccezione dei cavi schermati e quelli a fibra ottica) partono degli impulsi di sovratensione, con picchi molto elevati (anche più di un centinaio di kV), per tempi infinitesimi (qualche milionesimo di secondo), che viaggiano nei cavi a velocità strabilianti (poco meno della velocità della luce, questa pari a 300.000 km/sec). Un picco di tensione che viaggia in un cavo viene usualmente denominato "onda di sovratensione". 

Le conseguenze per gli impianti elettrici
Le onde di sovratensione sono alla spasmodica ricerca di un punto ove potersi scaricare; nel loro tragitto stressano gli isolamenti dei cavi e delle apparecchiature che sfortunatamente raggiungono; da cui deriva la seguente equazione: "sovratensione indotta = invecchiamento rapido dell'isolamento". 
Salvo casi eccezionali di onde molto energetiche (fulmine vicino al cavo in luoghi particolarmente esposti), non si riscontrano in genere fenomeni di guasto immediato; talvolta i dispositivi più sensibili, quelli elettronici od a controllo elettronico (es. computer, macchinari, ecc.) si bloccano inspiegabilmente (ma ripartono dopo un reset); spesso sembra invece che nulla sia successo ma, se l'onda di sovratensione è penetrata all'interno della linea elettrica di casa o dello stabilimento, qualche componente dell'impianto ha sicuramente sofferto per la sovratensione, che ne ha accorciato la vita utile.

Gli scaricatori di sovratensione 
Come difendersi dagli effetti indesiderati delle onde di sovratensione indotte? La soluzione è estremamente semplice e assai poco costosa: gli scaricatori di sovratensione. 
Gli scaricatori dell'ultima generazione, detti "ad ossidi di zinco", sono costituiti da pastiglie, elettricamente simili ad una resistenza che, collegate tra fase e terra, funzionano come uno sfioratore di tensione; in dettaglio:

 

- alla tensione nominale il valore di detta resistenza è molto elevato e la corrente che l'attraversa è pari a qualche o frazione di milli-ampere;

- al sopraggiungere dell'onda di sovratensione, il valore di resistenza bruscamente si abbassa, consentendo lo scarico verso massa di parte dell'energia dell'onda; si parla di decine fino a centinaia di kilo-Ampere di scarica per una durata di qualche micro-secondo; l'onda di sovratensione, "tagliata" della sua cresta, prosegue poi il suo cammino, con valori di sovratensione ben sopportabili dagli isolamenti delle apparecchiature a valle;

- passata l'onda, ritorna la tensione di linea e la resistenza ritorna immediatamente ai valori elevati iniziali (se così non fosse la rete vedrebbe un corto circuito di fase verso massa in quel punto).

Il funzionamento di cui sopra è estremamente preciso, sicuro, ripetitivo negli anni, senza archi e scintille quindi senza rischi di incendi o quant'altro. Le caratteristiche di classificazione sono ben definite dalle normative IEC 99-4 e ANSI-IEEE C62-11.
Il dimensionamento è semplice: scelta della classe di corrente nominale dello scaricatore (es. 1,5 o 2,5 o 5 o 10 oppure 20 kA, secondo le normative di cui sopra), valutazione della massima tensione efficace continuativa di fase verso terra e conseguente (da tabelle dei costruttori) scelta della classe di tensione dello scaricatore. 

Dove inserire gli scaricatori di sovratensione
Lo scaricatore di sovratensione va inserito ai nodi di ingresso alla linea elettrica interna di casa o di stabilimento. In dettaglio, si inserisce uno scaricatore in corrispondenza del primo morsetto utile, il più esterno possibile, dei cavi entranti: innanzitutto dell'arrivo linea (se è in media tensione, si consiglia una terna di scaricatori unipolari in M.T. ed uno scaricatore tripolare in B.T. per ciascun trasformatore, montati direttamente sui trasformatori o, se poco praticabile, nelle immediate vicinanze) e quindi di quei cavi che vanno ad alimentare utenze esterne e che abbiano un percorso all'esterno abbastanza lungo, ove la lunghezza dipende dal grado di esposizione del cavo e del sito in relazione ai fulmini, in genere da qualche decina di metri (es. dai 60 ai 100m) in su (NB: un cavo non schermato interrato non è un cavo protetto dall'effetto dei campi magnetici). 
Come ridondanza ed a maggior sicurezza, è consigliabile inserire inoltre alcuni (ma pochi) altri scaricatori ai morsetti degli interruttori che alimentano utenze delicate o strategiche (es. CED, area uffici con computers, sala macchine, ecc.)

Il prodotto Cooper Power Systems 
La società americana Cooper Power Systems è il maggior produttore mondiale di pastiglie ad ossidi di zinco ed uno dei maggiori produttori di scaricatori di sovratensione, la cui costruzione è totalmente robotizzata. Maggiore è la tensione, più elevato sarà il numero di pastiglie che vengono impaccate all'interno dell'apposito contenitore dello scaricatore. La gamma degli scaricatori Cooper spazia dai 400 kV per le linee ad alta tensione giù giù fino al 110 Volt delle linee in bassa tensione, utilizzando sempre il medesimo materiale di base (ossido di zinco). Per le più usuali tensioni in Italia (220V, 380V, 6kV, 9kV, 12kV, 15 kV, 20kV, 23kV) il prodotto è disponibile a magazzino: tipo "Storm Trapper High Energy" per la B.T. e "UltraSIL" per la M.T. - Tutti i prodotti di cui sopra sono per installazione all'esterno.