Come i paraschermi proteggono le apparecchiature elettriche?

Principio di funzionamento del paraschermo: protezione contro le sovratensioni attivata dalla tensione

Attivazione basata su soglia: isolamento in condizioni di tensione normale, conduzione durante le sovratensioni

Gli scaricatori di sovratensione funzionano in modo simile a interruttori intelligenti che operano in due modalità principali. Quando tutto funziona normalmente, a tensione pari o inferiore al 100% del valore nominale, gli elementi interni sono costituiti prevalentemente da dischi varistori in ossido metallico, noti come MOV. Questi componenti presentano un’altissima resistenza elettrica, pari a oltre 1 milione di ohm, il che significa essenzialmente che agiscono come ottimi isolanti, impedendo qualsiasi passaggio di corrente verso terra. Ciò contribuisce a ridurre le perdite di potenza e a prevenire interferenze quando il sistema è stabile. Tuttavia, in caso di un improvviso picco di tensione causato da fulmini o manovre di commutazione, che superi la soglia di attivazione predefinita — generalmente fissata tra il 20% e il 40% in più rispetto ai livelli di tensione normali — lo scaricatore entra in azione quasi istantaneamente, in meno di un miliardesimo di secondo. A questo punto, crea un percorso a resistenza estremamente bassa verso terra, talvolta inferiore a un ohm, deviando verso terra correnti di sovratensione di intensità elevatissima, spesso superiori a 100.000 ampere, preservando così l’apparecchiatura da proteggere. Una volta che il picco di tensione è terminato e il sistema ritorna al funzionamento normale, lo scaricatore si riporta automaticamente alla sua condizione iniziale ad alta resistenza. Questa capacità di auto-ripristino lo mantiene sempre pronto all’uso, senza essere influenzato dalle normali fluttuazioni di tensione e, cosa fondamentale, lo fa intervenire ben prima che l’apparecchiatura collegata possa subire danni raggiungendo i propri limiti massimi di isolamento.

Tecnologia dei varistori a ossido metallico (MOV) e caratteristiche non lineari tensione-corrente

Gli arrestatori di sovratensione odierni dipendono in larga misura dalla tecnologia dei varistori a ossido metallico (MOV), basata su dischi ceramici di ossido di zinco (ZnO) sinterizzati, mescolati con ossido di bismuto e vari altri composti metallici. Ciò che rende questi materiali particolari è la loro capacità di generare quella fondamentale relazione non lineare tra tensione e corrente necessaria per una protezione efficace contro le sovratensioni. In condizioni operative normali, la corrente di dispersione rimane molto bassa, spesso inferiore a 1 milliampere, poiché il materiale si comporta come se avesse una resistenza quasi infinita. Tuttavia, in presenza di un picco di tensione, gli elettroni iniziano a muoversi attraverso i minuscoli interstizi tra i grani di ZnO, provocando una drastica riduzione della resistenza. Ciò consente il passaggio di elevate correnti mantenendo al contempo il livello di tensione strettamente controllato. La curva di prestazione di questi materiali è molto più ripida rispetto a soluzioni più datate, come gli arrestatori a carburo di silicio o quelli con interruzione (gap-type), con esponenti tipici compresi tra 30 e 50. Questa caratteristica consente agli arrestatori basati su MOV di offrire una protezione superiore contro le sovratensioni nei moderni sistemi elettrici.

• Tempi di risposta inferiori a 25 ns
• Rapporti di limitazione della tensione da 2:1 a 3:1
• Capacità di assorbimento energetico superiore a 20 kJ per disco

La loro microstruttura autoriparante sopporta ripetuti eventi di sovratensione senza degrado permanente, garantendo nel tempo una corretta coordinazione con i valori di Livello di Isolamento di Base (BIL) delle apparecchiature.

Deviazione delle sovratensioni e gestione del percorso verso terra

Creazione di un percorso a bassa impedenza verso terra per le correnti transitorie

Una buona protezione contro le sovratensioni dipende realmente dalla creazione di un collegamento forte e a bassa impedenza tra il paraschermo e la terra. Idealmente, la resistenza di messa a terra dovrebbe rimanere inferiore a 1 ohm per ogni conduttore di discesa. Quando si verificano fulmini o sovratensioni, questa configurazione tiene sotto controllo gli sbalzi di tensione riducendo il valore dell’equazione V = I × Z durante gli eventi di scarica. Senza una messa a terra adeguata, le apparecchiature possono subire differenze di tensione pericolose che danneggiano progressivamente i componenti. Tutte le parti metalliche devono inoltre essere collegate tra loro: serbatoi dei trasformatori, quegli ampi quadri dei sezionatori, i supporti isolanti (bushing), persino l’acciaio strutturale devono essere collegati a una singola rete di terra a bassa impedenza. I sistemi privi di questo tipo di messa a terra coordinata tendono a guastarsi circa il 20% più spesso a causa delle sovratensioni. Perché? I gradienti di tensione non controllati provocano scariche attraverso l’aria (flashover) e sollecitano i materiali isolanti. Ricordate: quando le correnti transitorie si manifestano, seguono il percorso offerto dalla minore resistenza, non necessariamente quello più breve. La messa a terra, quindi, non è semplicemente un’opzione ausiliaria: è assolutamente essenziale affinché qualsiasi sistema di paraschermi funzioni correttamente.

Dissipazione dell'energia senza runaway termico o sovraccarico del sistema

Gli arrestatori basati su varistori a ossido metallico (MOV) funzionano assorbendo ed eliminando l’energia delle sovratensioni mediante un processo denominato conduzione controllata, reversibile secondo necessità; non richiedono più quegli obsoleti interruttori sacrificali o meccanismi di rilascio di gas. Ciò che rende questi dispositivi così efficaci è la loro caratteristica di resistenza non lineare, che consente loro di commutare rapidamente tra comportamento di isolante e di conduttore. Ciò contribuisce a mantenere basse le tensioni residue anche in presenza di sovratensioni di corrente massicce, misurate in migliaia di ampere. Anche le considerazioni termiche sono integrate direttamente nella progettazione di tali arrestatori: quando assorbono energia, il calore viene distribuito uniformemente sull’intera struttura del disco composito e sulla carcassa esterna, anziché concentrarsi in un singolo punto, prevenendo così la formazione di zone a temperatura eccessiva (hotspot) o, nei casi peggiori, il superamento incontrollato dei limiti termici. I dati di campo dell’EPRI dimostrano che unità correttamente dimensionate e installate riducono i guasti agli apparecchi di circa due terzi nelle applicazioni reali. Il motivo di questa affidabilità risiede nel fatto che tali arrestatori operano per la maggior parte del tempo entro temperature sicure, proteggendo componenti critici a valle, come trasformatori e quadri elettrici, senza aggiungere ulteriore sollecitazione al sistema elettrico stesso.

Tensione residua e coordinamento dell'isolamento per una protezione affidabile

Allineamento della tensione residua del paraschermo contro le sovratensioni con i valori di BIL delle apparecchiature

La tensione residua, che sostanzialmente corrisponde alla tensione massima misurata ai capi dei terminali di quel parafulmine durante lo scarico di un sovratensione, rappresenta probabilmente il fattore più importante nella coordinazione dei sistemi di isolamento. Per proteggere correttamente le apparecchiature, tale valore deve rimanere ben al di sotto del livello fondamentale di isolamento (BIL, Basic Insulation Level) previsto per i dispositivi collegati. Secondo la ricerca condotta dall’EPRI, non appena la tensione residua supera circa l’85% di tale soglia BIL, il rischio inizia ad aumentare rapidamente. I dati indicano infatti un incremento del 72% circa dei guasti dielettrici, considerando esclusivamente gli avvolgimenti dei trasformatori. Gli attuali parafulmini a varistore metallo-ossido (MOV, Metal Oxide Varistor) riescono a limitare con notevole precisione le sovratensioni grazie a tecniche migliorate di impilamento dei dischi e a metodi di gradazione più avanzati. Questi progressi consentono di mantenere valori di tensione residua costanti anche in presenza di correnti molto elevate. Ottenere questo risultato richiede un’attenzione accurata a diversi aspetti fondamentali del processo di coordinazione.

• Conferma che la tensione residua massima (alla corrente di scarica nominale) è pari all'85% della BIL dell'apparecchiatura
• Tenendo conto dell'aumento induttivo della tensione lungo i conduttori di terra, in particolare nelle sovratensioni con elevata velocità di variazione della corrente (dI/dt)
• Rivalidazione dei margini dopo aggiornamenti del sistema o modifiche dei livelli di cortocircuito

Questo approccio disciplinato previene guasti catastrofici dell'isolamento, evitando interruzioni della fornitura nelle cabine elettriche che possono comportare costi superiori a 500.000 USD per riparazioni, fermo impianto e danni collaterali.

Applicazione nella pratica: protezione di trasformatori, interruttori automatici e cabine elettriche

Gli scaricatori di sovratensione fungono da protezione primaria per i fondamentali sistemi elettrici, deviando l’energia delle sovratensioni dannose lontano dai componenti delicati prima che si verifichino danni. Nel caso dei trasformatori, in particolare di quelli immersi nell’olio, gli installatori posizionano gli scaricatori immediatamente accanto ai morsetti ad alta tensione per proteggere l’isolamento degli avvolgimenti. Senza un’adeguata protezione, improvvise sovratensioni elettriche possono causare guasti catastrofici all’interno di questi dispositivi a causa di tali picchi di tensione. Gli interruttori automatici rappresentano un’ulteriore sfida, poiché generano sovratensioni di commutazione durante l’interruzione del flusso di corrente. Gli scaricatori contribuiscono limitando questi picchi di tensione, che altrimenti potrebbero accelerare l’usura dei contatti o compromettere l’estinzione degli archi. In tutta la stazione elettrica, gli ingegneri posizionano gli scaricatori in diversi punti, tra cui gli ingressi dei derivati, le connessioni alle sbarre collettore e nelle immediate vicinanze di apparecchiature critiche, creando così più livelli di protezione. Questo approccio impedisce la propagazione delle sovratensioni tra dispositivi connessi e, secondo studi IEEE, riduce i guasti ai trasformatori di circa il 40% nelle aree fortemente colpite da fulmini. Un principio fondamentale guida anche le decisioni relative all’installazione: lo scaricatore deve essere posizionato più vicino rispetto all’elemento da proteggere che rispetto a qualsiasi altro punto in cui le sovratensioni potrebbero entrare, affinché la corrente segua naturalmente il percorso di minor resistenza attraverso lo scaricatore anziché danneggiare i materiali isolanti.

Domande frequenti sugli scaricatori di sovratensione

Cos'è uno scaricatore di sovratensione?

Uno scaricatore di sovratensione è un dispositivo utilizzato nei sistemi elettrici per proteggere le apparecchiature da sovratensioni elevate causate da fulmini o da manovre di commutazione. Ciò avviene fornendo un percorso a bassa resistenza verso terra, deviando in sicurezza qualsiasi corrente elettrica in eccesso lontano dai componenti sensibili.

Come funzionano gli scaricatori di sovratensione?

Gli scaricatori di sovratensione rimangono nello stato ad alta resistenza durante le condizioni di tensione normali, agendo così da isolante. Quando le sovratensioni superano una soglia predeterminata, lo scaricatore passa rapidamente allo stato a bassa resistenza, convogliando efficacemente le elevate correnti verso terra e proteggendo così il sistema.

Qual è il ruolo del varistore ossido-metallico (MOV) negli scaricatori di sovratensione?

I varistori a ossido metallico, o MOV, svolgono un ruolo fondamentale nei parafulmini grazie alle loro caratteristiche non lineari tensione-corrente. In condizioni di funzionamento normali, presentano un’elevata resistenza e una bassa corrente di dispersione. In caso di sovratensione, la loro resistenza diminuisce in modo significativo, consentendo il passaggio di correnti elevate e proteggendo così le apparecchiature da livelli eccessivi di tensione.

Perché il collegamento a terra è importante per i parafulmini?

Il collegamento a terra è fondamentale per garantire che il parafulmine possa convogliare efficacemente le correnti di sovratensione in sicurezza verso terra. Percorsi di messa a terra a bassa impedenza riducono i potenziali danni alle apparecchiature prevenendo picchi di tensione e attenuando le pericolose differenze di potenziale tra i componenti.