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Uno scaricatore di sovratensione è un dispositivo di protezione che limita le sovratensioni transitorie deviando la corrente di sovratensione verso terra e bloccando la tensione a livelli sicuri per le apparecchiature collegate. A differenza dei fusibili o degli interruttori automatici che interrompono il flusso di corrente, gli scaricatori di sovratensione rispondono in pochi nanosecondi e si ripristinano automaticamente, fornendo una protezione continua senza disconnessione del circuito.
Nelle reti di distribuzione a media tensione che operano a 10-36 kV, gli scaricatori di sovratensione all'ossido metallico (MOSA) rappresentano la principale difesa contro i fulmini e i transitori di commutazione che altrimenti danneggerebbero i trasformatori, interruttori automatici sottovuoto, e le terminazioni dei cavi. La scelta corretta dipende da tre parametri interdipendenti: Massima tensione operativa continua (MCOV), tensione residua e classe di energia. Ognuno di essi riguarda una modalità di guasto distinta, e trascurarne uno compromette l'intero schema di protezione.
I moderni scaricatori di sovratensione si basano sulla tecnologia dei varistori all'ossido di zinco (ZnO) per ottenere caratteristiche di resistenza dipendenti dalla tensione. La microstruttura della ceramica contiene grani di ZnO (tipicamente del diametro di 10-20 μm) circondati da sottili strati intergranulari di ossido di bismuto e altri additivi. Questi confini dei grani funzionano come diodi Schottky back-to-back, creando il comportamento non lineare essenziale per la protezione dalle sovratensioni.
In condizioni di tensione operativa normale, il varistore presenta una resistenza estremamente elevata, superiore a 10⁹ Ω, assorbendo solo una corrente di dispersione di livello microampere (in genere 0,5-2 mA per le unità di classe distribuzione). Quando la sovratensione transitoria supera la soglia di conduzione, si verifica un tunneling quantistico e un breakdown a valanga ai confini dei grani. La resistenza si riduce di un fattore di 10⁶ in pochi nanosecondi.
La relazione tensione-corrente segue un'equazione di tipo power-law: I = k × Vα, dove il coefficiente di non linearità α varia da 25 a 50 per i moderni materiali MOV. Questa estrema non linearità significa che aumentando la tensione di 20% si può aumentare il flusso di corrente di un fattore 105 o più.
Durante una sovratensione da 10 kA, uno scaricatore correttamente selezionato limita l'aumento di tensione a circa 2,5-3,5 volte l'MCOV, pur conducendo l'intera corrente di sovratensione. Il tempo di risposta è inferiore a 25 nanosecondi, abbastanza veloce da proteggere le apparecchiature da impulsi di fulmine a fronte ripido.
Il meccanismo di assorbimento dell'energia converte l'energia di sovratensione elettrica in calore all'interno della matrice di ZnO. L'aumento termico durante una tipica sovracorrente di commutazione raggiunge i 40-80°C al di sopra dell'ambiente. Se l'energia supera il valore nominale dello scaricatore, si verifica una fuga termica: l'aumento della temperatura riduce la resistenza, aumentando il flusso di corrente e la generazione di calore fino a provocare un guasto catastrofico.
L'MCOV definisce la massima tensione RMS che uno scaricatore può sopportare indefinitamente senza degradarsi. Questo parametro costituisce il primo punto di ingresso nella selezione degli scaricatori di sovratensione: se lo si sbaglia, lo scaricatore si guasta nel giro di mesi anziché di decenni.
La relazione tra MCOV e tensione di sistema dipende in modo determinante dalla configurazione della messa a terra:
Sistemi con solide basi: Durante i guasti di una singola linea a terra, le tensioni delle fasi sane salgono a circa 1,0-1,05 volte il normale. Requisito MCOV:
MCOV ≥ (Um / √3) × 1,05
Sistemi non collegati a terra o con messa a terra risonante: Le fasi sane possono raggiungere la piena tensione da linea a linea durante i guasti a terra, che potrebbero persistere per ore. Requisito MCOV:
MCOV ≥ Um × 1,05
Dove Um equivale alla tensione massima del sistema (non alla tensione nominale, un errore comune delle specifiche).
| Sistema Um (kV) | MCOV con messa a terra (kV) | MCOV senza messa a terra (kV) |
|---|---|---|
| 12 | 7.6 | 12.7 |
| 24 | 15.3 | 25.5 |
| 36 | 22.9 | 38.0 |
| 40.5 | 25.5 | 42.5 |
La capacità di sovratensione temporanea (TOV) si collega direttamente alla selezione dell'MCOV. Il rifiuto del carico, l'aumento di Ferranti su cavi non carichi o l'eccitazione del trasformatore possono elevare la tensione al di sopra dei livelli normali per secondi o minuti. La norma IEC 60099-4 specifica i requisiti di resistenza al TOV: gli scaricatori devono resistere a 1,4 × MCOV per 10 secondi senza subire danni.
[Approfondimento degli esperti: il margine MCOV nella pratica].
- I guasti sul campo sono spesso riconducibili a MCOV selezionati in base alla tensione nominale (ad esempio, 10 kV) piuttosto che alla tensione massima del sistema (ad esempio, 12 kV).
- I sistemi industriali senza messa a terra subiscono spesso sovratensioni sostenute durante la ricerca del guasto a terra: specificare un margine MCOV generoso.
- I sistemi con messa a terra risonante (bobina di Petersen) richiedono lo stesso MCOV dei sistemi senza messa a terra.
- In caso di incertezza sulla configurazione della messa a terra, utilizzare per impostazione predefinita i valori MCOV senza messa a terra.
La tensione residua - la tensione che attraversa i terminali dello scaricatore durante la scarica delle sovratensioni - determina l'effettiva protezione delle apparecchiature. Due forme d'onda standardizzate caratterizzano le prestazioni degli scaricatori:
Impulso di luce (8/20 μs): Simula la caduta di un fulmine diretto o vicino. Il livello di protezione contro gli impulsi di fulmine (LIPL) viene misurato con correnti di scarica nominali di 5 kA, 10 kA o 20 kA, a seconda della classe dello scaricatore.
Impulso di commutazione (30/60 μs): Rappresenta le operazioni di commutazione come l'eccitazione del banco di condensatori o la richiusura della linea. Il Switching Impulse Protective Level (SIPL) si applica principalmente agli scaricatori di classe di trasmissione.
Il livello di protezione deve rimanere al di sotto del livello di isolamento di base (BIL) dell'apparecchiatura protetta. Il calcolo del margine di protezione:
Margine di protezione (%) = [(BIL - Livello di protezione) / Livello di protezione] × 100
Secondo la norma IEC 60099-5 (raccomandazioni per la selezione e l'applicazione), i margini minimi di 20% per l'impulso di fulmine e di 15% per l'impulso di commutazione garantiscono una protezione affidabile che tiene conto dell'invecchiamento degli scaricatori e degli effetti della distanza.
| Apparecchiatura BIL (kV di picco) | LIPL massima accettabile (kV di picco) | Margine risultante |
|---|---|---|
| 75 | ≤60 | 25% |
| 95 | ≤76 | 25% |
| 125 | ≤100 | 25% |
| 170 | ≤136 | 25% |
Una tensione residua più bassa fornisce una protezione migliore, ma in genere richiede dimensioni fisiche maggiori e costi più elevati. Per le applicazioni di distribuzione che proteggono apparecchiature BIL a 95 kV, la scelta di uno scaricatore con LIPL di 70 kV (margine di 36%) piuttosto che di 76 kV (margine di 25%) potrebbe non giustificare il sovrapprezzo.
Il rating energetico quantifica il numero di joule che lo scaricatore può assorbire senza subire guasti termici. Questo parametro si rivela fondamentale per le applicazioni che vanno oltre la semplice protezione dai fulmini: la commutazione dei banchi di condensatori, l'energizzazione dei cavi e i sistemi con un'elevata densità di lampi di luce impongono una significativa richiesta di energia.
La norma IEC 60099-4 classifica la capacità energetica attraverso diverse metriche:
Classe di scarico della linea (Classe 1-5): Definisce la capacità di gestire eventi di scarica della linea di trasmissione. La Classe 2 è adatta alla maggior parte delle applicazioni di distribuzione; la Classe 3-4 si applica alla protezione delle sottostazioni e alla commutazione dei condensatori.
Energia termica (kJ/kV di Ur): Energia totale che lo scaricatore può assorbire in una finestra temporale definita senza superare i limiti di stabilità termica.
Valutazione del trasferimento di carica (Coulomb): Un approccio di classificazione più recente che comprende sia la gestione degli impulsi che quella delle correnti di lunga durata.
| Applicazione | Classe consigliata | Energia tipica (kJ/kV Ur) |
|---|---|---|
| Alimentatore di distribuzione MT | Classe 2 | 2.5-4.0 |
| Protezione dei trasformatori di sottostazione | Classe 3 | 4.5-6.0 |
| Banco di condensatori / reattanza shunt | Classe 3-4 | 6.0-8.0 |
| Terminazione del cavo lungo | Classe 3 | 5.0-7.0 |
L'assorbimento di energia dipende dalla dimensione dei grani di ZnO e dalle concentrazioni di drogante. I materiali MOV di qualità gestiscono un'energia specifica di 150-200 J/cm³. La dimensione fisica è direttamente correlata alla capacità energetica degli scaricatori di classe stazione con dischi di 100 mm di diametro, che assorbono molta più energia delle unità di classe distribuzione con dischi di 40-60 mm.
Il test di stabilità termica per IEC 60099-4 verifica che, dopo l'iniezione di energia nominale, lo scaricatore torni a livelli stabili di corrente di dispersione, senza un'interruzione termica. Questo test simula le peggiori condizioni di campo, in cui si verificano più sovratensioni prima che lo scaricatore si raffreddi completamente.
[Expert Insight: Considerazioni sul campo della classificazione energetica].
- I trasformatori collegati ai cavi possono generare energie di commutazione di 6-8 kJ/kV durante l'eccitazione: gli scaricatori di distribuzione standard possono essere inadeguati.
- Le regioni ad alta densità di fulmini (>8 lampi/km²/anno) richiedono valutazioni energetiche più elevate per gli eventi multitemporali.
- Le installazioni di banchi di condensatori impongono uno stress energetico ripetitivo; l'invecchiamento termico cumulativo accelera il guasto
- In caso di dubbio, specificare una classe superiore a quella suggerita dai calcoli: il sovrapprezzo è minimo rispetto ai costi di sostituzione.
Si consideri un sistema industriale a 12 kV non messo a terra che protegge un trasformatore in olio da 170 kV BIL.
Fase 1: determinare la tensione massima del sistema
Um = 12 kV (non 10 kV nominali)
Fase 2: Identificare la configurazione di messa a terra
Sistema senza messa a terra → le fasi sane raggiungono la piena tensione di linea durante i guasti a terra
Fase 3: Calcolo del MCOV minimo
MCOV ≥ Um × 1,05 = 12 × 1,05 = 12,6 kV
Selezionare lo scaricatore con MCOV ≥ 12,7 kV (valore nominale standard)
Fase 4: Controllo della tensione residua
Scaricatore selezionato: LIPL a 10 kA = 42 kV di picco
Fase 5: verifica del margine di protezione
Margine = [(170 - 42) / 42] × 100 = 305%
Supera di gran lunga il minimo di 20% ✓
Fase 6: valutare il fabbisogno energetico
Alimentatore di distribuzione standard, senza banchi di condensatori, zona di fulminazione moderata
Classe 2 sufficiente (≥3,0 kJ/kV Ur)
Specifiche finali:
Montaggio dello scaricatore su isolatori di palo devono mantenere distanze coerenti con il BIL del sistema. La lunghezza dei conduttori tra i terminali degli scaricatori e le apparecchiature protette influisce sul livello di protezione effettivo; se possibile, mantenere i collegamenti al di sotto di 1 metro.
Le valutazioni di laboratorio presuppongono condizioni standard: altitudine inferiore a 1000 m, temperatura ambiente di 20°C, superficie pulita della custodia. Le installazioni reali raramente corrispondono a questi presupposti.
Riduzione dell'altitudine: Al di sopra dei 1000 m, la ridotta densità dell'aria riduce la tensione esterna di flashover di circa 1% per 100 m. A 2000 m di altitudine, si consiglia di selezionare la classe di tensione successiva o di specificare alloggiamenti in polimero a scorrimento esteso.
Gravità dell'inquinamento: La norma IEC 60815 definisce le classi di inquinamento da “molto leggero” a “molto pesante”. I depositi di contaminazione sugli alloggiamenti degli scaricatori riducono il margine di flashover. Le custodie in polimero superano quelle in porcellana in caso di forte inquinamento: la loro superficie idrofobica elimina la contaminazione e mantiene una maggiore resistenza al flashover. Specificare una distanza di dispersione ≥25 mm/kV per ambienti fortemente inquinati.
Temperature estreme: Gli scaricatori standard funzionano da -40°C a +40°C ambiente. Le temperature più elevate accelerano l'invecchiamento del MOV; le temperature più basse influiscono sulla flessibilità della custodia in polimero. Verificare le specifiche del produttore per le installazioni in climi estremi.
Scelta del materiale dell'alloggiamento:
Integrazione del sezionatore: Gli scaricatori di distribuzione spesso includono sezionatori integrati che isolano le unità guaste e forniscono indicazioni visive. Utili quando gli intervalli di ispezione superano l'anno. Il sezionatore si attiva quando la corrente di guasto sostenuta fonde un elemento fusibile in seguito al guasto dello scaricatore.
Gli scaricatori di sovratensione funzionano all'interno di un più ampio schema di coordinamento dell'isolamento. Per una protezione adeguata è necessario far corrispondere i livelli di protezione degli scaricatori con la resistenza di isolamento di trasformatori, interruttori e componenti per quadri elettrici in tutto il sistema.
XBRELE produce interruttori in vuoto, contattori in vuoto e componenti per quadri di media tensione progettati per sistemi fino a 40,5 kV. Il nostro team di ingegneri supporta l'analisi del coordinamento dell'isolamento, aiutando ad abbinare i valori nominali dei VCB e le specifiche dei componenti ai vostri requisiti di protezione dalle sovratensioni.
Sia che stiate progettando nuove sottostazioni o aggiornando gli schemi di protezione esistenti, contatta XBRELE per una consulenza tecnica. Forniamo schede tecniche dettagliate di coordinamento e possiamo consigliare i valori nominali BIL appropriati per le apparecchiature che operano accanto agli scaricatori di sovratensione selezionati.
Cosa causa il guasto degli scaricatori di sovratensione anche quando i valori nominali sembrano corretti?
La maggior parte dei guasti sul campo è dovuta a problemi di installazione piuttosto che a errori di classificazione. L'eccessiva lunghezza dei conduttori aumenta la caduta di tensione durante le sovratensioni: ogni metro di conduttore contribuisce per circa 1 kV durante gli impulsi a fronte ripido. L'impedenza di terra superiore a 5 Ω aumenta la tensione di bloccaggio effettiva, riducendo i margini di protezione al di sotto delle soglie di sicurezza.
In che modo la configurazione della messa a terra influisce sulla selezione dell'MCOV?
I sistemi non collegati a terra e quelli con messa a terra risonante richiedono un MCOV pari o superiore alla piena tensione linea-linea, poiché le fasi sane mantengono una tensione elevata per tutta la durata del guasto a terra. I sistemi con messa a terra solida necessitano solo di una tensione linea-neutro più un margine, poiché l'eliminazione del guasto avviene in pochi cicli.
Gli scaricatori di distribuzione possono proteggere le apparecchiature di sottostazione?
Gli scaricatori di distribuzione (tipicamente di Classe 2) non hanno un assorbimento di energia sufficiente per le applicazioni all'ingresso delle sottostazioni, dove le sovracorrenti di commutazione e i fulmini multi-colpo impongono uno stress termico più elevato. Gli scaricatori di stazione (classe 3 o superiore) sono generalmente necessari per la protezione di trasformatori e bus.
Perché gli scaricatori con alloggiamento in polimero dominano le nuove installazioni?
Gli alloggiamenti in polimero offrono tre vantaggi: peso ridotto che riduce le sollecitazioni meccaniche sulle strutture di montaggio, prestazioni superiori in ambienti inquinati grazie alle proprietà idrofobiche della superficie e modalità di guasto non frammentante che elimina i rischi di schegge di porcellana in caso di guasto catastrofico.
Con quale frequenza devono essere testati o sostituiti gli scaricatori di sovratensione?
L'ispezione visiva annuale individua i danni più evidenti: alloggiamenti incrinati, funzionamento del sezionatore o segni di bruciatura. La misurazione della corrente di dispersione ogni 3-5 anni fornisce una valutazione quantitativa delle condizioni. Gli scaricatori ben selezionati, in ambienti moderati, raggiungono in genere 20-25 anni di vita utile; gli ambienti ad alta luminosità o inquinati possono ridursi a 12-15 anni.
Qual è la relazione tra tensione residua e corrente di scarica?
La tensione residua aumenta con l'entità della corrente di scarica a causa delle caratteristiche di resistenza del MOV. Una sovracorrente di 10 kA produce una tensione di bloccaggio più elevata di una sovracorrente di 5 kA attraverso lo stesso scaricatore. I produttori specificano la tensione residua a più livelli di corrente (tipicamente 5 kA, 10 kA, 20 kA) per consentire calcoli di coordinamento accurati.
La posizione degli scaricatori all'interno di una sottostazione è importante?
Le onde di tensione viaggiano a circa 300 m/μs, creando un degrado della protezione in funzione della distanza. Le apparecchiature situate a più di 8-10 metri dallo scaricatore subiscono una maggiore sollecitazione di tensione a causa delle riflessioni delle onde viaggianti. Ogni asset critico - trasformatori, interruttori, terminazioni dei cavi - beneficia di una protezione dedicata contro le sovratensioni quando la separazione fisica supera questi limiti.
