Introduzione
Nei moderni sistemi elettrici, proteggere le apparecchiature da eventi di sovratensione è fondamentale per la continuità operativa e la sicurezza. Sebbene i termini “scaricatore di sovratensione” e “scaricatore di fulmini” siano spesso usati in modo intercambiabile, questi dispositivi servono a scopi distinti nelle strategie di protezione complete. Comprendere le differenze tra scaricatori di sovratensione e scaricatori di fulmini è essenziale per ingegneri, responsabili di stabilimento e professionisti degli acquisti incaricati di progettare sistemi di protezione elettrica efficaci.
I fulmini rimangono una delle forze più distruttive della natura, in grado di fornire sovratensioni istantanee superiori a 100.000 ampere. Tuttavia, i sistemi elettrici devono affrontare numerose altre minacce, tra cui transitori di commutazione, fluttuazioni di potenza e sovratensioni indotte. Questo articolo chiarisce le distinzioni tecniche tra scaricatori di fulmini e scaricatori di sovratensione, esamina le rispettive applicazioni e fornisce indicazioni per la selezione di dispositivi di protezione appropriati per la tua struttura.
Cos'è uno scaricatore di fulmini?
Definizione e scopo principale
Uno scaricatore di fulmini è un dispositivo di protezione specificamente progettato per salvaguardare l'infrastruttura elettrica da fulmini diretti o nelle vicinanze. La sua missione principale è intercettare le massicce sovratensioni elettriche causate dai fulmini e fornire un percorso a bassa resistenza per deviare in sicurezza questa enorme corrente a terra, prevenendo danni catastrofici a strutture, linee di trasmissione e apparecchiature collegate.
Gli scaricatori di fulmini sono in genere installati agli ingressi di servizio, sui tetti, lungo le linee elettriche aeree e nelle sottostazioni dove l'esposizione ai fulmini diretti è più elevata. Questi dispositivi sono progettati per gestire correnti di scarica estremamente elevate, spesso superiori a 10.000 ampere (10 kA), con fronti d'onda molto ripidi caratteristici degli eventi di fulmine.
Principio di funzionamento
Lo scaricatore di fulmini funziona in base alle caratteristiche di impedenza dipendenti dalla tensione. In normali condizioni operative, lo scaricatore mantiene un'elevata impedenza e non influisce sul funzionamento del circuito. Quando una sovratensione indotta da fulmine supera la tensione di soglia dello scaricatore, il dispositivo passa rapidamente a uno stato di bassa impedenza, creando un percorso conduttivo preferenziale verso terra.
Questo processo di scarica devia la corrente del fulmine lontano dalle apparecchiature sensibili, limitando la tensione a livelli di sicurezza. Una volta superata la sovratensione, lo scaricatore ritorna automaticamente al suo stato di alta impedenza, ripristinando il normale funzionamento del sistema senza interruzioni. I moderni scaricatori di fulmini utilizzano la tecnologia dei varistori a ossido di metallo (MOV), principalmente ossido di zinco (ZnO), che offre eccellenti caratteristiche non lineari tensione-corrente e capacità di autoripristino.
Cos'è uno scaricatore di sovratensione?
Definizione e scopo principale
Uno scaricatore di sovratensione, noto anche come dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD) o soppressore di sovratensioni transitorie (TVSS), è progettato per proteggere le apparecchiature elettriche ed elettroniche da sovratensioni transitorie causate da disturbi interni del sistema. Questi disturbi includono operazioni di commutazione, commutazione di banchi di condensatori, avviamenti di motori, variazioni di carico e sovratensioni indotte indirettamente da fulmini.
A differenza degli scaricatori di fulmini che gestiscono fulmini diretti ad alta energia, gli scaricatori di sovratensione affrontano picchi di tensione più piccoli e più frequenti che si verificano all'interno del sistema di distribuzione elettrica. Sono installati più vicino alle apparecchiature sensibili: all'interno dei quadri elettrici, sui circuiti derivati e vicino ai carichi critici che richiedono protezione dai transitori operativi.
Principio di funzionamento
Gli scaricatori di sovratensione funzionano monitorando continuamente la tensione nel sistema elettrico. In condizioni normali, il dispositivo rimane in uno stato di alta impedenza con un effetto minimo sul funzionamento del circuito. Quando viene rilevata una sovratensione transitoria, sia da eventi di commutazione che da sovratensioni indotte, lo scaricatore di sovratensione diminuisce rapidamente la sua impedenza, bloccando la tensione a un livello di sicurezza e deviando la corrente in eccesso a terra.
La tensione di bloccaggio (chiamata anche livello di protezione della tensione o Up) è una specifica critica che determina la tensione massima che appare sui terminali delle apparecchiature protette durante un evento di sovratensione. Gli scaricatori di sovratensione di alta qualità offrono tempi di risposta rapidi (in genere da nanosecondi a microsecondi) e una limitazione precisa della tensione per proteggere i componenti elettronici sensibili da danni o degrado.
Differenze chiave tra scaricatore di fulmini e scaricatore di sovratensione
Confronto completo
Sebbene entrambi i dispositivi proteggano dalle sovratensioni, il loro design, applicazione e capacità di protezione differiscono in modo significativo:
| Aspetto | Scaricatore di fulmini | Scaricatore di sovratensione |
|---|---|---|
| Scopo primario | Protezione contro fulmini diretti e sovratensioni ad alta energia associate | Protezione contro transitori di commutazione e sovratensioni operative |
| Ambito di protezione | Infrastruttura elettrica esterna, ingresso di servizio, linee aeree | Apparecchiature interne, circuiti derivati, elettronica sensibile |
| Gestione dell'Energia | Estremamente alta (gestisce correnti fino a 100+ kA) | Da moderata a bassa (in genere 5-40 kA a seconda del tipo) |
| Gamma di tensione | Sistemi ad alta tensione (da 3 kV a 1000 kV); Bassa tensione (0,28-0,5 kV) | Principalmente bassa tensione (≤1,2 kV, comunemente 220-380 V) |
| Posizione di installazione | Ingresso di servizio, sottostazioni, tralicci di trasmissione, tetti | Quadri di distribuzione, circuiti derivati, vicino alle apparecchiature protette |
| Il Tempo Di Risposta | Veloce (microsecondi) | Molto veloce (da nanosecondi a microsecondi) |
| Forma d'onda della corrente | 10/350 μs (impulso di fulmine) | 8/20 μs (sovratensione di commutazione) |
| Standard | IEEE C62.11, IEC 60099-4 | IEC 61643-11, UL 1449, IEEE C62.62 |
| Dimensioni Fisiche | Più grande a causa dei requisiti di isolamento esterno | Compatto, adatto per il montaggio su pannello |
| Contesto applicativo | Prima linea di difesa contro i fulmini | Strato di protezione secondario/terziario |
Distinzione funzionale
Scaricatori di fulmini sono specializzati nella gestione della massiccia scarica di energia istantanea da fulmini diretti. Devono resistere a correnti di picco con tempi di salita estremamente ripidi (microsecondi) e dissipare in sicurezza energia che può superare i 10 megajoule. La loro costruzione privilegia l'elevata capacità di scarica e il robusto isolamento esterno.
Scaricatori di sovratensione si concentrano sulla soppressione di sovratensioni transitorie più piccole e più frequenti che si verificano durante il normale funzionamento del sistema. Forniscono un bloccaggio della tensione ottimizzato per proteggere circuiti elettronici sensibili, strumentazione e sistemi di controllo dal degrado causato dall'esposizione ripetuta alle sovratensioni.
Tipi di scaricatori di fulmini
1. Scaricatore di fulmini a spinterometro
Il design più semplice caratterizzato da un elettrodo a barra con una distanza tra gli spinterometri predeterminata. Quando la tensione supera la soglia di rottura, si forma un arco attraverso lo spinterometro, conducendo la corrente di sovratensione a terra. Questi scaricatori hanno applicazioni limitate e vengono utilizzati principalmente nei sistemi a bassa tensione a causa della loro incapacità di interrompere efficacemente la corrente successiva.
2. Scaricatore di fulmini a corno
Un miglioramento rispetto al design a spinterometro, caratterizzato da due elettrodi a forma di corno separati da un traferro. Quando colpisce un fulmine, l'arco si forma nel punto più stretto e poi si alza a causa delle forze elettromagnetiche e della convezione termica. La crescente distanza tra gli spinterometri aiuta a spegnere l'arco in modo naturale. Gli scaricatori a corno sono adatti per applicazioni a media tensione (in genere fino a 33 kV).
3. Scaricatore di fulmini multi-gap (tipo a espulsione)
Questo design incorpora più spinterometri in serie con tubi o camere in fibra. Durante il funzionamento, l'arco genera una pressione del gas che aiuta a spegnere l'arco e a interrompere la corrente successiva. Gli scaricatori multi-gap offrono una protezione migliore rispetto ai semplici tipi di spinterometro, ma sono stati in gran parte sostituiti dai design moderni.
4. Scaricatore di fulmini a valvola
Un progresso significativo che incorpora resistori non lineari (in genere carburo di silicio) in serie con spinterometri. La resistenza non lineare fornisce una bassa resistenza durante le condizioni di sovratensione e un'elevata resistenza durante il normale funzionamento, limitando efficacemente la corrente successiva. Gli scaricatori a valvola offrono caratteristiche di protezione superiori ed erano ampiamente utilizzati in applicazioni a media e alta tensione.
5. Scaricatore di fulmini a ossido di metallo (MOV)
La tecnologia più avanzata e ampiamente utilizzata oggi, gli scaricatori a ossido di metallo utilizzano elementi varistori in ossido di zinco (ZnO) senza spinterometri in serie. La caratteristica tensione-corrente altamente non lineare dell'ossido di zinco fornisce:
- Eccellente capacità di assorbimento delle sovratensioni
- Nessun problema di corrente successiva
- Prestazioni di limitazione della tensione superiori
- Lunga durata con degrado minimo
- Design compatto
- Autoripristino dopo eventi di sovratensione
Gli scaricatori MOV sono disponibili per tutti i livelli di tensione, dalla bassa tensione (inferiore a 1 kV) all'altissima tensione (superiore a 800 kV) e sono diventati lo standard industriale per i moderni sistemi elettrici.
Tipi di scaricatori di sovratensione (Dispositivi di protezione contro le sovratensioni)
Secondo la norma IEC 61643-11 e le norme correlate, gli scaricatori di sovratensione sono classificati in base al loro livello di protezione e alla tipica posizione di installazione:
SPD di tipo 1 (classe I)
Caratteristiche:
- Testato con forma d'onda impulsiva 10/350 μs
- Massima capacità di assorbimento di energia
- Progettato per gestire la corrente diretta di fulmine
- Corrente impulsiva tipica (Iimp): da 25 kA a 100 kA
- Corrente di scarica massima: da 50 kA a 100 kA
Applicazioni:
- Quadri di distribuzione principali all'ingresso del servizio
- Edifici con sistemi di protezione esterna contro i fulmini (LPS)
- Strutture in aree ad alto rischio di fulmini
- Strato di protezione primario (transizione LPZ 0 a LPZ 1)
SPD di tipo 2 (Classe II)
Caratteristiche:
- Testato con forma d'onda impulsiva 8/20 μs
- Assorbimento di energia moderato
- Protegge da fulmini indiretti e sovratensioni di commutazione
- Corrente di scarica nominale tipica (In): da 5 kA a 40 kA
- Tipo di SPD più comunemente utilizzato
Applicazioni:
- Quadri di sottodistribuzione
- Pannelli di controllo industriali
- Impianti elettrici commerciali
- Strato di protezione secondario (transizione LPZ 1 a LPZ 2)
SPD di tipo 3 (Classe III)
Caratteristiche:
- Testato con onda combinata (tensione 1.2/50 μs, corrente 8/20 μs)
- Capacità energetica minima
- Protezione di precisione per apparecchiature sensibili
- Corrente di scarica tipica: da 1,5 kA a 10 kA
- Livello di protezione di tensione molto basso
Applicazioni:
- Prese di corrente vicino ad apparecchiature sensibili
- Circuiti derivati finali
- Apparecchiature IT, strumentazione e sistemi di controllo
- Strato di protezione terziario (transizione LPZ 2 a LPZ 3)
Protezione SPD coordinata
Le moderne strategie di protezione implementano l'installazione di SPD a cascata o coordinata attraverso più zone di protezione (Zone di protezione contro i fulmini - LPZ). Gli SPD di tipo 1 all'ingresso del servizio gestiscono sovratensioni ad alta energia, gli SPD di tipo 2 nei quadri di distribuzione forniscono protezione intermedia e gli SPD di tipo 3 nelle posizioni di utilizzo finale offrono una protezione finale di precisione per le apparecchiature critiche.
Confronto delle specifiche tecniche
| Parametro | Scaricatore di fulmini | Scaricatore di sovratensione (SPD) |
|---|---|---|
| Tensione nominale | Da 3 kV a 1000 kV (AT); 0,28-0,5 kV (BT) | ≤1,2 kV; tipicamente 230-690 V CA |
| Tensione massima di funzionamento continuo (MCOV) | Dipendente dal sistema, tipicamente 0,8-0,84 pu | 1,05-1,15 × tensione nominale |
| Capacità di corrente di scarica | Da 10 kA a 100+ kA (10/350 μs) | Tipo 1: 25-100 kA; Tipo 2: 5-40 kA; Tipo 3: 1,5-10 kA (8/20 μs) |
| Livello di protezione della tensione (Up) | Coordinato con il BIL dell'apparecchiatura | ≤2,5 × tensione di sistema |
| Il Tempo Di Risposta | <100 nanosecondi (tipo MOV) | <25 nanosecondi (Tipo 3); <100 nanosecondi (Tipo 1/2) |
| Assorbimento di energia | Molto alta (>10 MJ) | Tipo 1: Alta (250-500 kJ); Tipo 2: Moderata (50-150 kJ); Tipo 3: Bassa |
| Interruzione della corrente susseguente | Autoestinguente (tipo MOV) | Autoestinguente |
| Intervallo di temperatura operativa | Da -40°C a +60°C | Da -40°C a +85°C |
| Vita utile | 20-30 anni | 10-25 anni (dipende dall'esposizione alle sovratensioni) |
| Componenti primari | Varistori ZnO, alloggiamento in ceramica | MOV, GDT (Tubo a scarica di gas), diodi TVS, filtri |
Applicazioni e luoghi di installazione
Applicazioni degli scaricatori di fulmini
Trasmissione e distribuzione di energia:
- Linee di trasmissione aeree (tutti i livelli di tensione)
- Sottostazioni elettriche (AT, MT, BT)
- Trasformatori di distribuzione
- Trasformatori su basamento
- Pali montanti su palo
Strutture industriali:
- Impianti di produzione in regioni soggette a fulmini
- Impianti chimici e petrolchimici
- Operazioni minerarie
- Impianti di trattamento delle acque
- Complessi industriali pesanti
Infrastrutture:
- Torri di telecomunicazioni
- Sistemi di elettrificazione ferroviaria
- Infrastrutture aeroportuali
- Sistemi di raccolta di parchi solari ed eolici
Applicazioni di scaricatori di sovratensione (SPD)
Edifici commerciali:
- Edifici per uffici
- Centri commerciali
- Hotel e ospitalità
- Strutture sanitarie
- Istituzioni scolastiche
Sistemi di controllo industriale:
- Controllori logici programmabili (PLC)
- Sistemi di controllo distribuito (DCS)
- Azionamenti a frequenza variabile (VFD)
- Centri di controllo motore
- Sistemi SCADA
IT e telecomunicazioni:
- Centri dati
- Sale server
- Apparecchiature di rete
- Sistemi di comunicazione
- Sistemi di automazione degli edifici
Energia rinnovabile:
- Sistemi fotovoltaici solari (PV)
- Sistemi di turbine eoliche
- Sistemi di accumulo di energia
- Microreti
Standards and Compliance
Standard internazionali
IEC:
- IEC 61643-11: Requisiti e metodi di prova SPD a bassa tensione (norma primaria per scaricatori di sovratensione)
- IEC 60099-4: Scaricatori di sovratensione a ossido di metallo senza spinterogeni per sistemi AC (scaricatori di fulmine)
- IEC 62305: Protezione contro i fulmini (progettazione complessiva del sistema di protezione)
Standard IEEE:
- IEEE C62.11: Scaricatori di sovratensione a ossido di metallo per circuiti di alimentazione AC (scaricatori di fulmine)
- IEEE C62.41: Caratterizzazione dell'ambiente di sovratensione
- IEEE C62.62: Specifiche di prova per SPD
- IEEE C62.72: Guida all'applicazione per SPD
Standard regionali:
- UL 1449 (4a edizione): Standard statunitense per SPD
- EN 61643-11: Adozione europea dello standard IEC
- CSA C22.2 No. 269: Standard canadesi SPD
Considerazioni sulla conformità
Quando si specificano scaricatori di fulmine o scaricatori di sovratensione, assicurarsi della conformità con:
- Requisiti di livello di tensione appropriato per il tuo sistema
- Capacità di corrente di scarica corrispondente all'ambiente di sovratensione previsto
- Livello di protezione della tensione compatibile con la tenuta all'isolamento delle apparecchiature
- Valore nominale di temperatura adatto all'ambiente di installazione
- Marchi di certificazione da laboratori di prova riconosciuti (UL, CE, TÜV, CB)
- Norme di installazione secondo NEC Article 285 (US) o codici elettrici locali
Domande frequenti (FAQ)
1. Uno scaricatore di sovratensione può sostituire uno scaricatore di fulmine?
No, gli scaricatori di sovratensione non possono sostituire gli scaricatori di fulmine per la protezione contro i fulmini diretti. Mentre uno scaricatore di fulmine può fornire una certa protezione contro le sovratensioni minori, gli scaricatori di sovratensione non hanno l'elevata capacità di corrente di scarica (forma d'onda 10/350 μs) necessaria per gestire in sicurezza i fulmini diretti. Una protezione completa richiede entrambi i dispositivi in un sistema coordinato: scaricatori di fulmine all'ingresso di servizio per la protezione primaria e scaricatori di sovratensione nelle posizioni di distribuzione e di utilizzo finale per la protezione secondaria.
2. Come si determina quale tipo di SPD (Tipo 1, 2 o 3) è necessario?
La selezione dell'SPD dipende dal concetto di Zona di protezione contro i fulmini (LPZ):
- DOCUP di tipo 1: Installare al confine LPZ 0-1 (ingresso di servizio) in edifici con sistemi di protezione esterna contro i fulmini o in aree ad alto rischio di fulmini
- DOCUP di tipo 2: Installare al confine LPZ 1-2 (pannelli di distribuzione, sottotabelle) per la protezione generale dell'edificio
- DOCUP di tipo 3: Installare al confine LPZ 2-3 (vicino ad apparecchiature sensibili) quando è necessaria una protezione aggiuntiva
La maggior parte delle strutture richiede almeno SPD di Tipo 2. Aggiungere il Tipo 1 se si dispone di un LPS o si è in aree ad alto rischio. Includere il Tipo 3 per apparecchiature elettroniche critiche.
3. Qual è la differenza tra le tecnologie di protezione contro le sovratensioni MOV e GDT?
Varistore a ossido di metallo (MOV):
- Resistore dipendente dalla tensione che utilizza ossido di zinco
- Eccellente assorbimento di energia
- Bassa tensione di bloccaggio
- Si degrada gradualmente con sovratensioni ripetute
- Ideale per la soppressione di sovratensioni ad alta energia
Tubo a scarica di gas (GDT):
- Tubo di ceramica riempito di gas con elettrodi
- Capacità di corrente di sovratensione molto elevata
- Tensione di bloccaggio più alta
- Tempo di risposta più lento
- Ideale per telecomunicazioni e linee di segnale
Gli SPD moderni spesso combinano entrambe le tecnologie: GDT per capacità di corrente elevata e MOV per risposta rapida e bloccaggio della tensione.
4. Con quale frequenza è necessario testare o sostituire gli scaricatori di fulmine e gli scaricatori di sovratensione?
Scaricatori di fulmine:
- Ispezione visiva: Annualmente
- Test elettrici (resistenza di isolamento, tensione di frequenza di rete): Ogni 1-3 anni
- Sostituzione: 20-30 anni o dopo eventi di fulminazione significativi
- Monitorare gli indicatori di condizione, se presenti
Scaricatori di sovratensione (SPD):
- Ispezione visiva: Ogni 6-12 mesi
- Controllare gli indicatori di stato (se presenti): Mensilmente
- Test elettrici: Come raccomandato dal produttore
- Sostituzione: Dopo eventi di sovratensione significativi o quando gli indicatori segnalano un guasto
- Vita utile tipica: 10-25 anni a seconda dell'esposizione alle sovratensioni
Documentare tutte le attività di manutenzione e i contatori di eventi di sovratensione (se disponibili) per monitorare lo stato del dispositivo.
5. Cosa succede se uno scaricatore di fulmine o un SPD si guasta?
Le modalità di guasto variano in base alla progettazione:
Guasto sicuro (preferibile):
- Gli scollegatori termici integrati si attivano
- Il dispositivo diventa un circuito aperto
- L'indicatore visivo/elettrico segnala il guasto
- Il sistema continua a funzionare ma senza protezione dalle sovratensioni
Guasto catastrofico:
- Potrebbe verificarsi una condizione di cortocircuito
- La protezione da sovracorrente a monte (fusibili/interruttori) dovrebbe isolare il dispositivo
- Rischio di incendio se la protezione termica è inadeguata
I dispositivi di qualità di produttori affidabili come VIOX Electric incorporano molteplici meccanismi di sicurezza, tra cui scollegatori termici, scarico di pressione e indicatori di guasto per garantire modalità di guasto sicure.
6. Ho bisogno di protezione contro i fulmini se la mia struttura ha alimentazioni elettriche interrate?
Sì, la protezione contro i fulmini rimane importante anche con alimentazioni interrate. Sebbene i cavi interrati eliminino il rischio di fulmini diretti alle linee elettriche, i fulmini possono comunque influire sulla tua struttura attraverso:
- Fulmini alla struttura dell'edificio stesso
- Sovratensioni indotte da fulmini vicini che si propagano attraverso il terreno
- Sovratensioni che entrano tramite linee di telecomunicazioni, tubi dell'acqua o altri conduttori
- Transitori di commutazione dalle operazioni della rete elettrica
Installare SPD di Tipo 2 come protezione minima. Considerare SPD di Tipo 1 se il tuo edificio ha un sistema di protezione esterna contro i fulmini o si trova in un'area ad alto rischio.
Conclusione: L'impegno di VIOX Electric per una protezione completa contro le sovratensioni
Comprendere le differenze tra scaricatori di sovratensione e scaricatori di fulmine è fondamentale per progettare sistemi di protezione elettrica efficaci. Mentre gli scaricatori di fulmine fungono da prima linea di difesa contro i fulmini diretti e le sovratensioni ad alta energia agli ingressi di servizio, gli scaricatori di sovratensione forniscono una protezione secondaria critica contro i transitori operativi e le sovratensioni indotte in tutta la rete di distribuzione della tua struttura.
Una strategia completa di protezione contro le sovratensioni richiede l'implementazione coordinata di entrambe le tecnologie, specificate correttamente secondo IEC 61643-11, IEEE C62.11 e gli standard regionali applicabili. La selezione deve tenere conto dei livelli di tensione, della capacità di corrente di scarica, dei livelli di protezione della tensione e dei requisiti specifici dell'applicazione.
VIOX Elettrico è specializzata nella produzione di scaricatori di fulmine e dispositivi di protezione contro le sovratensioni di alta qualità progettati per soddisfare rigorosi standard internazionali. Il nostro portafoglio prodotti include:
- Scaricatori di fulmine a ossido di metallo per tutte le classi di tensione
- Dispositivi di protezione contro le sovratensioni di Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 3
- Soluzioni coordinate di protezione contro le sovratensioni per applicazioni industriali, commerciali e di energia rinnovabile
- Progetti personalizzati per requisiti di protezione specializzati
Il nostro team tecnico fornisce consulenza esperta per aiutarti a progettare strategie di protezione in profondità ottimali, su misura per il profilo di rischio specifico e i requisiti operativi della tua struttura. Non scendere a compromessi sulla protezione del sistema elettrico: collabora con VIOX Electric per soluzioni di protezione contro le sovratensioni affidabili e certificate.
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