Protezione dalle Sovratensio Sovratensioni ni Dott. Ing. Pietro Pietro Antonio Antonio SCARPINO SCARPINO Docente di Elettrotecnica – Facoltà di Ingegneria Università Università di Firenze
(1706 – 1790) 1790) Benjamin Franklin (1706
Le scariche atmosferiche o volgarmente chiamati fulmini, sono fenomeni di scarica violenti che producono in tempi brevissimi correnti di intensità molto elevate che possono raggiungere e superare i 200 kA. A causa dell'enorme energia sviluppata nel breve tempo sono eventi che si possono ripercuotere con tutto il loro potenziale distruttivo sui componenti o sugli impianti e nei casi più gravi sulle persone e sugli animali.
Per prevenire i rischi dovuti a questi fenomeni di origine naturale si rende necessario uno studio approfondito e il rilievo dei fulmini a terra per mezzo di strumenti sensibili al campo elettromagnetico prodotto dalla corrente di fulmine.
Valori medi della frequenza di fulminazione per unità di superficie
Le scariche atmosferiche o volgarmente chiamati fulmini, sono fenomeni di scarica violenti che producono in tempi brevissimi correnti di intensità molto elevate che possono raggiungere e superare i 200 kA. A causa dell'enorme energia sviluppata nel breve tempo sono eventi che si possono ripercuotere con tutto il loro potenziale distruttivo sui componenti o sugli impianti e nei casi più gravi sulle persone e sugli animali.
Per prevenire i rischi dovuti a questi fenomeni di origine naturale si rende necessario uno studio approfondito e il rilievo dei fulmini a terra per mezzo di strumenti sensibili al campo elettromagnetico prodotto dalla corrente di fulmine.
Valori medi della frequenza di fulminazione per unità di superficie
Intensità delle fulminazioni dirette
Forma d’onda della corrente di fulmine
Formazione delle scariche atmosferiche In caso di temporale può accadere che le nuvole e il suolo si comportino come le armature di un condensatore. L'aria è il dielettrico interposto tra queste enormi armature, una miscela di gas isolante costituita principalmente da azoto e ossigeno. La rigidità dielettrica dell'aria, in base al valore del campo elettrico che si stabilisce tra cielo e terra, può essere superata e si può verificare il fenomeno della scarica elettrica che comunemente viene definita fulmine. Le cariche elettriche di segno opposto che si sono formate si separano posizionandosi in parte verso l'alto (cariche positive costituite dai cristalli di ghiaccio) e in parte verso il basso della nube (cariche negative costituite dalle goccioline di acqua). E' da questo momento che nella nuvola si formano i primi lampi.
Tipologie di scarica atmosferica In funzione della direzione nella quale si propagano e della carica elettrica possono distinguersi in discendenti (quando hanno origine dalla nube) o ascendenti (quando hanno origine da strutture a terra), positivi o negativi.
In territori pianeggianti e in presenza di strutture di altezza modesta si verificano prevalentemente fulmini discendenti mentre su strutture esposte e/o di altezza elevata i fulmini ascendenti sono preponderanti. La probabilità di impatto aumenta con l’altezza e cambiano le condizioni fisiche.
Danni dovuti al fulmine: Danni alla struttura Un fulmine che colpisce una struttura può causare danni alla struttura stessa e ai suoi occupanti ed al suo contenuto, compresi i guasti agli impianti interni. I danni ed i guasti possono estendersi anche nelle vicinanze della struttura e possono talvolta interessare l’ambiente. Le dimensioni di detta estensione dipendono dalle caratteristiche della struttura e da quelle del fulmine.
Analisi condotta in Francia nel 2004 per il settore residenziale
Fortezza di Radicofani (SI)
Normativa di riferimento: Dal 1 febbraio 2007 le Norme CEI 81-1 e CEI 81-4, nonché la Guida CEI 81-8, vengono abrogate e sostituite dalle Norme CEI EN 62305/1-4 Le misure di protezione previste secondo le precedenti Norme CEI 81-1 e 81-4 e la Guida CEI 81-8 sono in genere ritenute egualmente idonee agli effetti della sicurezza. sicurezza Questa nuova serie di norme si applica all’esecuzione di nuove realizzazioni delle misure di protezione contro il fulmine per le strutture e i servizi ad esse connessi, nonché alle trasformazioni radicali di quelle esistenti.
La serie di Norme CEI EN 62305/1- 4 è composta dalle seguenti quattro parti:
In
CEI EN 62305-1 “Protezione contro i fulmini. Principi generali” CEI EN 62305-2 “Protezione contro i fulmini. Valutazione del rischio” CEI EN 62305-3 “Protezione contro i fulmini. Danno materiale alle strutture e pericolo per le persone” CEI EN 62305-4 “Protezione contro i fulmini. Impianti elettrici ed elettronici nelle strutture”
La serie di Norme CEI EN 62305/1- 4 sostituisce i seguenti documenti normativi: Norma CEI 81- 1: “Protezioni delle strutture contro i fulmini” Norma CEI 81- 4: “Protezioni delle strutture contro i fulmini. Valutazione rischio dovuto al fulmine” Out Guida CEI 81- 8: “Guida d’applicazione all’utilizzo di limitatori di
sovratensione sugli impianti utilizzatori di bassa tensione”.
Possibili sorgenti di danno alla struttura: La corrente di fulmine è la sorgente del danno. Le seguenti situazioni devono essere prese in considerazione in funzione della localizzazione del punto di impatto rispetto alla struttura:
S1
fulmine sulla struttura;
S2
fulmine vicino alla struttura;
S3
fulmine sui servizi entranti nella struttura;
S4
fulmine in prossimità dei servizi entranti nella struttura
Il fulmine sulla struttura può causare:
• danno meccanico immediato, incendio e/o esplosione dovuto al plasma incandescente del canale stesso, o al riscaldamento dei conduttori connesso con il fluire della corrente (sovratemperatura inaccettabili), o alla carica trasportata (fusione del metallo); • incendio e/o esplosione provocati da scariche dovute a sovratensioni risultanti da accoppiamenti resistivi e induttivi e dal fluire di parte della corrente di fulmine; • danni alle persone dovuti alle tensioni di passo e di contatto causate da accoppiamenti resistivi e induttivi; •
guasti o malfunzionamenti degli impianti interni dovuti al LEMP.
Il fulmine vicino alla struttura può causare: • guasti o malfunzionamenti degli impianti interni dovuti al LEMP.
Il fulmine sui servizi entranti nella struttura può causare: • incendio e/o esplosione iniziati da scariche dovute a sovratensioni e alle correnti di fulmine trasmesse tramite il servizio entrante; • danni alle persone per le tensioni di contatto all’interno della struttura dovute alle correnti di fulmine trasmesse tramite il servizio entrante; • guasti o malfunzionamenti degli impianti interni dovuti alle sovratensioni che si localizzano sulle linee entranti e che sono trasmesse alla struttura.
Il fulmine in prossimità dei servizi entranti nella struttura può causare: • guasti o malfunzionamenti degli impianti interni dovuti alle sovratensioni indotte nelle linee entranti e trasmesse alla struttura.
Principali tipi di danno alla struttura: D1: danni ad esseri viventi dovuto a tensione di contatto e di
passo; D2: danni materiali (incendio, esplosione, distruzione meccanica,
rilascio di sostanze chimiche) dovuti agli effetti della corrente di fulmine, scariche distruttive incluse; D3: guasti agli impianti interni dovuti al LEMP.
Sorgenti e tipo di danno su un servizio La corrente di fulmine è la sorgente del danno. Le seguenti situazioni devono essere prese in considerazione in funzione della localizzazione del punto d’impatto rispetto al servizio considerato:
S1 S3
fulmine sulla struttura servita
S4
fulmine in prossimità del servizio entrante nella struttura
fulmine sul servizio entrante nella struttura
Tipologie di perdita Ciascun tipo di danno, solo o in combinazione con altri, può produrre differenti perdite nell’oggetto da proteggere. Il tipo di perdita che può verificarsi dipende dalle caratteristiche dell’oggetto stesso.
La Norma considera i seguenti tipi di perdita:
L1 L2
perdita di vite umane
L3 L4
perdita di patrimonio culturale insostituibile
perdita di servizio pubblico
perdita economica (struttura e suo contenuto, servizi e perdita di attività
Le perdite di tipo L1, L2 ed L3 possono essere considerate perdite di valori sociali mentre la perdita di tipo L4 è esclusivamente una perdita economica.
Le perdite in una struttura: L1 L2
perdita di vite umane
L3 L4
perdita di patrimonio culturale insostituibile
perdita di servizio pubblico
perdita economica (struttura e suo contenuto).
Le perdite in un servizio: L1 L4
perdita di vite umane perdita economica (servizi e perdita di attività).
Punto d’impatto
Sorgente di danno
Tipo di danno
Tipo i perdita
Struttura
S1
D1 D2 D3
L1, L4 L1, L2, L3, L4 L1, L2, L4
In prossimità della struttura
S2
D3
L1, L2, L4
Servizi entranti nella struttura
S3
D1 D2 D3
L1, L4 L1, L2, L3, L4 L1, L2, L4
In prossimità di un servizio
S4
D3
L1, L2, L4
Valutazione del rischio Per valutare se la protezione sia o meno necessaria, deve essere effettuata la valutazione del rischio considerando: R 1 : perdita di vite umane R 2 : perdita di servizio pubblico R 3 : perdita di patrimonio culturale insostituibile R4 : perdita economica
La protezione contro il fulmine é necessaria se il rischio R (R1, R2 ed R3) é superiore al livello di rischio tollerabile RT
R > R T In questo caso devono essere adottate misure di protezione al fine di ridurre il rischio R (R 1,R 2 ed R 3) al valore di rischio tollerabile R T
R ≤ R T Se uno o più tipi di perdita possono verificarsi nell’oggetto da proteggere, la condizione R ≤ R T deve essere soddisfatta per ciascun tipo di perdita (L1, L2 e L3).
Struttura da considerare per la valutazione del rischio La struttura da considerare comprende: – la struttura stessa; – gli impianti nella struttura; – il contenuto della struttura; – le persone nella struttura e quelle nella fascia fino a 3 m all’esterno della struttura; – l’ambiente circostante interessato da un danno alla struttura. La protezione non comprende i servizi esterni connessi alla struttura
Rischio tollerabile RT La definizione dei valori di rischio tollerabili R T riguardanti le perdite di valore sociale è responsabilità dei competenti comitati nazionali. Valori rappresentativi di rischio tollerabile R T, quando il fulmine coinvolge la perdita di vite umane o perdite sociali o culturali, sono riportati nella tabella seguente:
Organigramma per il calcolo del rischio
Parametri della corrente di fulmine Esistono due tipi principali di fulmine: •
Fulmini discendenti discendenti iniziati da canali procedenti dalla nube verso terra
•
Fulmini ascendenti iniziati da canali procedenti da una struttura a terra verso la nube.
In territori pianeggianti e in presenza di strutture di altezza modesta si verificano prevalentemente fulmini discendenti mentre su strutture esposte e/o di altezza elevata i fulmini ascendenti sono preponderanti. La probabilità di impatto aumenta con l’altezza e cambiano le condizioni fisiche.
Una corrente di fulmine è costituita da uno o più colpi diversi tra loro: • •
Colpi brevi aventi durata inferiore a 2 ms Colpi lunghi aventi durata superiore a 2 ms
Definizione dei parametri del colpo breve
Tipicamente: 2 ms < T colpo lungo < 1 s Definizione dei parametri del colpo lungo
Progetto ed installazione di misure di protezione contro l’impulso elettromagnetico del fulmine (LEMP) Gli impianti elettrici ed elettronici sono soggetti a guasti dovuti all’impulso elettromagnetico (LEMP). Per evitare guasti negli impianti interni è quindi necessario adottare misure di protezione contro il LEMP. La protezione contro il LEMP si basa sul concetto di zona di protezione (LPZ): il volume contenente gli impianti che devono essere protetti può essere diviso in LPZ. Queste zone sono volumi ideali definiti, in cui la severità del LEMP è compatibile con il livello di tenuta degli impianti interni al volume
Scariche atmosferiche Si tratta di un fenomeno naturale di grande portata. I fulmini rilasciano una potenza che può raggiungere diverse centinaia di gigawatt e possono avere un effetto distruttivo o perturbatore su impianti elettrici situati a diversi chilometri di distanza dal punto in cui si manifestano. Le scariche atmosferiche possono determinare diversi fenomeni in un impianto elettrico:
Fulminazione diretta • Fulminazione diretta dei sistemi esterni di protezione da scariche atmosferiche (LPS) o di parti conduttrici esterne collegate a terra (antenne, condutture metalliche...). Accoppiamento galvanico. La resistenza del sistema di messa a terra, nel disperdere la corrente del fulmine, provoca un aumento della tensione del conduttore di protezione di terra (PE) fino a diverse migliaia di volt (effetto ohmico). D’altra parte, il potenziale dei conduttori attivi rimane 230 V per le fasi e zero per il neutro (potenziale remoto del trasformatore). Le apparecchiature elettriche collegate tra la rete di alimentazione e la terra perdono isolamento e vi fluisce parte della corrente del fulmine.
Fulminazione diretta delle linee aeree. aeree • Accoppiamento conduttivo. L’elevata quantità di energia che entra direttamente nell’impianto distrugge le apparecchiature elettriche o elettroniche collegate alla rete di alimentazione. Fulminazione indiretta • Accoppiamento induttivo. Il campo elettromagnetico creato dal fulmine genera una sovratensione in ogni anello dell’impianto (effetto trasformatore /accoppiamento elettromagnetico). Le linee aeree presentano anelli in quanto il neutro o il PE sono collegati ripetutamente a terra (ogni due o più pali). Le scariche atmosferiche nelle vicinanze delle linee aeree generano una sovratensione in queste linee. Anche i fulmini che colpiscono il sistema esterno di protezione contro le scariche atmosferiche di un edificio (LPS) generano una sovratensione negli anelli formati dai cavi.
Definizione dei parametri del colpo breve
Tipicamente: 2 ms < T colpo lungo < 1 s Definizione dei parametri del colpo lungo
Forma D’onda della sovratensione
Limitatori di sovratensione
Le 2 funzioni di un SPD: - deviazione della corrente impulsiva verso terra. - limitazione della sovratensione (in questo caso 1,4 kV).
Tenuta all’impulso delle apparecchiature. I livelli di tolleranza delle apparecchiature alle sovratensioni impulsive sono classificati secondo 4 categorie (come indicato nella tabella seguente) conformemente alle IEC 60364 e IEC 60730-1
Forme d’onda 10/350 µs e 8/20 µs
SPD: Tecnologia a spinterometri
SPD: Tecnologia a spinterometri
SPD: Tecnologia a varistori
SPD: varie tipologie costruttive
Curva caratteristica della tensione di rete in caso di intervento di uno scaricatore per corrente da fulmine
Effettofrangionda dello spinterometro
Effettofrangionda dello spinterometro
Effettofrangionda dello spinterometro
Scelta degli SPD - rete monofase
La tensione d'esercizio max ammissibile Uc del SPD, indicata in Volt a frequenza industriale, deve essere superiore alla tensione applicata effettivamente ai suoi morsetti.
Scelta degli SPD - rete trifase + neutro
La tensione d'esercizio max ammissibile Uc del SPD, indicata in Volt a frequenza industriale, deve essere superiore allatensione applicata effettivamente ai suoi morsetti.
Comparazione delle correnti di prova
Scelta di Iimp e In
Scelta di Iimp e In
Classificazione degli SPD
Come si propagano le sovratensioni Le sovratensioni possono manifestarsi fra le parti attive e la terra (longitudinali o di modo comune) oppure tra le parti attive (trasversali o differenziali). Nelle sovratensioni di modo comune tutti i conduttori assumono la stessa tensione verso terra perciò fra i conduttori attivi non si stabilisce alcuna sovratensione mentre sono sollecitati gli isolamenti verso terra di fase e neutro. Il pericolo maggiore lo corrono le apparecchiature dove la massa è connessa a terra essendo non trascurabili i rischi di scariche nel dielettrico. Le sovratensioni di modo differenziale interessano invece le parti attive (fase/fase o fase/neutro). In questo caso sono sollecitati gli isolamenti fra i conduttori e si presentano particolarmente pericolose per le apparecchiature elettroniche
Protezione dalle sovratensioni in modo comune e differenziale
Principio di coordinamento
Caratteristiche
Protezione dalle sovratensioni e dispositivi di protezione dai contatti indiretti La figura seguente presenta l'impiego di SPD installati a valle di un interruttore differenziale che potrebbe intervenire intempestivamente essendo attraversato dalla corrente impulsiva che si scarica sul PE attraverso gli SPD
Se gli SPD sono installati a valle del dispositivo differenziale si potrebbero verificare degli interventi intempestivi perché l'interruttore differenziale è attraversato dalla corrente impulsiva che si scarica sul PE attraverso gli SPD
Il problema può essere risolto mediante lo schema nella figura sottostante con gli SPD installati a monte del dispositivo differenziale. Tale soluzione però ne pone immediatamente un altro nell'eventualità che l'SPD si danneggi e chiuda in corto circuito un conduttore di fase o di neutro verso il PE. Se, passata la sovratensione, L'SPD non ripristina l'isolamento verso terra, cioè se si stabilisce una corrente susseguente, risulta inefficace la protezione contro i contatti indiretti.
Se gli SPD sono installati a monte del dispositivo differenziale il dispositivo differenziale non è influenzato dalla corrente impulsiva che si scarica sul PE attraverso gli SPD ma, se non si ripristina l'isolamento verso terra, potrebbe venire a mancare la protezione contro i contatti indiretti.
Nello schema nella figura sottostante gli SPD sono installati a valle rispetto all'interruttore differenziale. Un guasto sullo scaricatore collegato tra il neutro e il PE e un contemporaneo cedimento dell'isolante dell'utilizzatore provoca una corrente che, in funzione della resistenza di terra, se si tratta di un sistema TT, o dell'impedenza dell'anello di guasto, se si tratta di un sistema TN, potrebbe non essere correttamente rilevata dall'interruttore differenziale. Questo comporta un grave rischio per le persone perché una tensione pericolosa si stabilisce sull'impianto di terra e sulle apparecchiature ad esso collegate.
Il contemporaneo guasto sullo scaricatore e sull'utilizzatore determina la circolazione di una corrente che potrebbe non essere rilevata, in funzione della resistenza (sistema TT) o dell'impedenza (sistema TN) dell'anello di guasto, dall'interruttore differenziale installato a monte rispetto all'SPD collegato tra neutro e PE. Si pregiudica in questo caso la sicurezza delle persone nei confronti dei contatti indiretti
La protezione contro le sovratensioni Il dispositivo differenziale interviene invece correttamente quando gli scaricatori sono installati a monte (fig. sotto) anche nel caso di contemporaneo guasto dell'utilizzatore e dello scaricatore collegato tra neutro e PE.
Soluzioni installative in funzione del sistema di distribuzione In un sistema TN-C o TN-S, dove l'impiego dell'interruttore differenziale non è indispensabile al fine della protezione dai contatti indiretti, il fusibile o l'interruttore automatico, in funzione dell'impedenza dell'anello di guasto, deve interrompere il circuito sull'SPD nei tempi previsti dalle norme.
Interruzione di un guasto mediante protezione di sovracorrente in un SPD installato in un sistema TN - -C. C . La protezione contro i contatti indiretti è assicurata se il fusibile interviene nei tempi previsti dalle no rme rme
Interruzione di un guasto mediante protezione di sovracorrente in un SPD in installato in un sistema TN-S
Anche in un sistema IT il dispositivo differenziale non è essenziale ai fini della protezione contro i contatti diretti. Una condizione di guasto dell'SPD può essere affrontata affrontata come come in un siste sistema ma TN, quando quando le masse masse sono collega collegate te tra loro, loro, e come in un sistema TT quando le masse sono connesse per gruppi o singolarmente. In caso di guasto a terra sia dell'SPD sia dell'utilizzatore il dispositivo di protezione deve intervenire nei tempi previsti dalle norme.
In un sistema IT, in caso di secondo guasto a terra causato dall'SPD, il dispositivo di protezione deve intervenire secondo quanto stabilito dalle norme
In un sistema TT per la protezione dai contatti indiretti è generalmente impiegato l'interruttore differenziale. Come descritto nelle figure precedenti l'installazione degli SPD a monte dell'interruttore differenziale consente di risolvere le problematiche relative all'interazione fra scaricatori e dispositivi differenziali. Qualche difficoltà potrebbe però sorgere allorché, in caso di guasto dell'SPD installato fra le fasi ed il PE, la corrente circolante verso terra, a causa dell'elevata resistenza dell'anello di guasto, non fosse in grado di provocare l'intervento del dispositivo di protezione contro le sovracorrenti; passata la sovratensione, se non viene ripristinato l'isolamento, si potrebbe stabilire verso terra una corrente susseguente tale da inficiare la protezione contro i contatti indiretti.
Una soluzione accettabile può essere quella della figura sottostante dove i varistori sono collegati direttamente al neutro e quindi al PE attraverso uno spinterometro. Questa configurazione limita la probabilità che si possa stabilire una corrente susseguente tale da compromettere la protezione contro i contatti indiretti. In caso di corto circuito del varistore interviene, senza incertezza in virtù del collegamento verso il neutro, il dispositivo contro le sovracorrenti installato a monte, evitando che il varistore guasto possa compromettere l'efficienza del dispositivo di limitazione al sopraggiungere di una nuova sovratensione
Gli SPD sono collegati a valle dell'interruttore differenziale. Per evitare interventi intempestivi l'interruttore differenziale deve essere di tipo S.
Caratteristiche
Caratteristiche
Scelta della protezione
Collegamenti elettrici secondo il sistema di messa a terra
Collegamenti elettrici secondo il sistema di messa a terra
L'installazione degli SPD nei quadri I collegamenti dei limitatori di sovratensione devono essere i più corti possibile (di norma è accettabile una lunghezza complessiva) perché la sollecitazione sull'isolamento delle apparecchiature protette cresce in proporzione alla loro lunghezza (fig. sotto). Scelto lo scaricatore, che dovrà possedere un livello di protezione Up adatto al valore massimo di tensione che le apparecchiature da proteggere sono in grado di sopportare, occorre verificare quindi la lunghezza complessiva dei collegamenti. Nell'esempio di figura i collegamenti, di lunghezza complessiva l=l1+l2+l3, determinano, come si è detto, un'induttanza di circa 1 microhenry al metro con una caduta di tensione, supponendo una corrente di 8 kA con forma d'onda 8/20 microsecondi, che può essere valutata in circa 1 kV al metro.
SEZIONE E COLLEGAMENTI REGOLA GENERALE: l’SPD deve essere installato il più vicino possibile all’impianto da proteggere. LUNGHEZZA COLLEGAMENTI: i collegamenti devono essere più corti possibili. La lunghezza ideale, per ridurre gli aumenti di tensione causata dalle induttanze dei cavi, é di 0,5 m. per lato
Con lunghezze > di 0,5 m. adottare barretta EQP per scaricatori, distanziando i cavi di ingresso/uscite il più possibile
DA RICORDARE: il conduttore neutro, é percorso da una corrente di fulmine superiore alle correnti delle singole fasi.
Esempio di installazione
Progetto ed installazione di misure di protezione contro l’impulso elettromagnetico del fulmine (LEMP) Gli impianti elettrici ed elettronici sono soggetti a guasti dovuti all’impulso elettromagnetico (LEMP). Per evitare guasti negli impianti interni è quindi necessario adottare misure di protezione contro il LEMP. La protezione contro il LEMP si basa sul concetto di zona di protezione (LPZ): il volume contenente gli impianti che devono essere protetti può essere diviso in LPZ. Queste zone sono volumi ideali definiti, in cui la severità del LEMP è compatibile con il livello di tenuta degli impianti interni al volume
Riepilogando – Le zone a rischio
PROTEZIONE CONTRO I FULMINI Impianto connesso alla rete BT
PROTEZIONE CONTRO I FULMINI
DESCRIZIONE 1) ARRIVO STRINGHE 2) DIODI DI PROTEZIONE 3) FUSIBILI DI PROTEZIONE 4) LIMITATORE DI SOVRATENSIONE 5) MORSETTO PER CONDUTTORE PE 6) QUADRO DI TERMINAZIONE/SEZIONAMENTO 7) INVERTER 8) QUADRO AC 9) INTERRUTTORE AUTOMATICO GENERALE 10) LIMITATORE DI SOVRATENSIONE 11) DALLA BARRA EQUIPOTENZIALE PRINCIPALE
PROTEZIONE CONTRO I FULMINI Impianto connesso alla rete BT
PROTEZIONE CONTRO I FULMINI
PROTEZIONE CONTRO I FULMINI Impianto connesso alla rete BT
