Protezione da sovratensioni e sovratensioni da fulmini

Protezione da sovratensioni e sovratensioni da fulmini

Sovratensione di origine atmosferica
Definizioni di sovratensione

Sovratensione (in un sistema) qualsiasi tensione tra un conduttore di fase e la terra o tra conduttori di fase aventi un valore di picco superiore al picco corrispondente della tensione più alta per la definizione di apparecchiatura dal vocabolario elettrotecnico internazionale (IEV 604-03-09)

Vari tipi di sovratensione

Una sovratensione è un impulso o un'onda di tensione che si sovrappone alla tensione nominale della rete (vedi Fig. J1)

Questo tipo di sovratensione è caratterizzato da (vedi Fig. J2):

• il tempo di salita tf (in μs);
• il gradiente S (in kV / μs).

Una sovratensione disturba le apparecchiature e produce radiazioni elettromagnetiche. Inoltre la durata della sovratensione (T) provoca un picco di energia nei circuiti elettrici che potrebbe distruggere le apparecchiature.
Fig. J2 - Caratteristiche principali di una sovratensione

Quattro tipi di sovratensione possono disturbare installazioni elettriche e carichi:

• Sovratensioni di commutazione: sovratensioni ad alta frequenza o disturbi da burst (vedere Fig. J1) causati da una variazione dello stato stazionario in una rete elettrica (durante il funzionamento del quadro).
• Sovratensioni frequenza di rete: sovratensioni della stessa frequenza della rete (50, 60 o 400 Hz) causate da un cambiamento permanente di stato nella rete (a seguito di un guasto: guasto di isolamento, rottura del conduttore neutro, ecc.).
• Sovratensioni causate da scariche elettrostatiche: sovratensioni molto brevi (pochi nanosecondi) di altissima frequenza causate dalla scarica di cariche elettriche accumulate (ad esempio, una persona che cammina su un tappeto con suole isolanti viene caricata elettricamente con una tensione di diversi kilovolt).
• Sovratensioni di origine atmosferica.

Caratteristiche di sovratensione di origine atmosferica

Colpi di fulmine in poche cifre: i fulmini producono una quantità estremamente grande di energia elettrica pulsata (vedi Figura J4)

• di diverse migliaia di ampere (e diverse migliaia di volt)
• di alta frequenza (circa 1 megahertz)
• di breve durata (da un microsecondo a un millisecondo)

Tra il 2000 e il 5000 tempeste sono in costante formazione in tutto il mondo. Questi temporali sono accompagnati da fulmini che rappresentano un grave pericolo per persone e attrezzature. I fulmini colpiscono il suolo a una media di 30-100 colpi al secondo, cioè 3 miliardi di fulmini ogni anno.

La tabella in Figura J3 mostra alcuni valori di fulmine con la relativa probabilità. Come si può vedere, il 50% dei fulmini ha una corrente superiore a 35 kA e il 5% una corrente superiore a 100 kA. L'energia veicolata dal fulmine è quindi molto elevata.

Fig. J3 - Esempi di valori di scarica da fulmine forniti dalla norma IEC 62305-1 (2010 - Tabella A.3)

Fig. J4 - Esempio di corrente di fulmine

I fulmini provocano anche un gran numero di incendi, soprattutto nelle aree agricole (distruggendo case o rendendole inadatte all'uso). I grattacieli sono particolarmente soggetti ai fulmini.

Effetti sugli impianti elettrici

I fulmini danneggiano in particolare gli impianti elettrici ed elettronici: trasformatori, contatori elettrici ed elettrodomestici sia in locali residenziali che industriali.

Il costo per riparare i danni causati dai fulmini è molto alto. Ma è molto difficile valutare le conseguenze di:

• disturbi causati a computer e reti di telecomunicazione;
• guasti generati nell'esecuzione di programmi di controllori logici programmabili e sistemi di controllo.

Inoltre, il costo delle perdite di esercizio può essere di gran lunga superiore al valore dell'attrezzatura distrutta.

Impatti di fulmini

Il fulmine è un fenomeno elettrico ad alta frequenza che causa sovratensioni su tutti gli elementi conduttivi, in particolare sui cavi e le apparecchiature elettriche.

I fulmini possono influenzare gli impianti elettrici (e / o elettronici) di un edificio in due modi:

• dall'impatto diretto del fulmine sull'edificio (vedi Fig. J5 a);
• per impatto indiretto del fulmine sull'edificio:
• Un fulmine può cadere su una linea elettrica aerea che alimenta un edificio (vedi Fig. J5 b). La sovracorrente e la sovratensione possono diffondersi a diversi chilometri dal punto di impatto.
• Un fulmine può cadere in prossimità di una linea elettrica (vedere Fig. J5 c). È la radiazione elettromagnetica della corrente di fulmine che produce una corrente elevata e una sovratensione sulla rete di alimentazione elettrica. Negli ultimi due casi le correnti e le tensioni pericolose vengono trasmesse dalla rete di alimentazione.

Un fulmine può cadere vicino a un edificio (vedi Fig. J5 d). Il potenziale della terra intorno al punto di impatto aumenta pericolosamente.

Fig. J5 - Vari tipi di fulmini

In tutti i casi, le conseguenze per installazioni elettriche e carichi possono essere drammatiche.

Fig. J6 - Conseguenza dell'impatto di un fulmine

Un fulmine cade su un edificio non protetto.	Un fulmine cade vicino a una linea aerea.	Un fulmine cade vicino a un edificio.
La corrente del fulmine fluisce verso terra attraverso le strutture più o meno conduttive dell'edificio con effetti molto distruttivi: effetti termici: surriscaldamento molto violento dei materiali, causa di incendio effetti meccanici: deformazione strutturale Flashover termico: Il fenomeno estremamente pericoloso in presenza di materiali infiammabili o esplosivi (idrocarburi, polvere, ecc.)	La corrente di fulmine genera sovratensioni per induzione elettromagnetica nel sistema di distribuzione. Queste sovratensioni si propagano lungo la linea alle apparecchiature elettriche all'interno degli edifici.	Il colpo di fulmine genera gli stessi tipi di sovratensione degli opposti descritti. Inoltre, la corrente del fulmine risale dalla terra all'impianto elettrico, provocando il guasto dell'apparecchiatura.
L'edificio e le installazioni all'interno dell'edificio vengono generalmente distrutti	Gli impianti elettrici all'interno dell'edificio vengono generalmente distrutti.

Le varie modalità di propagazione

Modalità comune

Si verificano sovratensioni di modo comune tra conduttori sotto tensione e terra: fase-terra o neutro-terra (vedere Fig. J7). Sono pericolosi soprattutto per gli apparecchi il cui telaio è collegato a terra a causa dei rischi di rottura dielettrica.

Fig. J7 - Modo comune

Modalità differenziale

Le sovratensioni di modo differenziale si verificano tra conduttori sotto tensione:

fase-fase o fase-neutro (vedere Fig. J8). Sono particolarmente pericolosi per apparecchiature elettroniche, hardware sensibile come i sistemi informatici, ecc.

Fig. J8 - Modalità differenziale

Caratterizzazione dell'onda del fulmine

L'analisi dei fenomeni consente la definizione dei tipi di corrente di fulmine e onde di tensione.

• 2 tipi di onda di corrente sono considerati dagli standard IEC:
• Onda 10/350 µs: per caratterizzare le onde di corrente da un fulmine diretto (vedi Fig. J9);

Fig. J9 - Onda di corrente 10/350 µs

• Onda 8/20 µs: per caratterizzare le onde di corrente da un fulmine indiretto (vedi Fig. J10).

Fig. J10 - Onda di corrente 8/20 µs

Questi due tipi di onde di corrente di fulmine vengono utilizzati per definire i test sugli SPD (standard IEC 61643-11) e l'immunità delle apparecchiature alle correnti di fulmine.

Il valore di picco dell'onda di corrente caratterizza l'intensità del colpo di fulmine.

Le sovratensioni create dai fulmini sono caratterizzate da un'onda di tensione di 1.2 / 50 µs (vedi Fig. J11).

Questo tipo di onda di tensione viene utilizzata per verificare la tenuta delle apparecchiature a sovratensioni di origine atmosferica (tensione impulsiva secondo IEC 61000-4-5).

Fig. J11 - Onda di tensione 1.2 / 50 µs

Principio di protezione contro i fulmini
Regole generali di protezione contro i fulmini

Procedura per prevenire i rischi di fulmini
Il sistema di protezione di un edificio dagli effetti dei fulmini deve prevedere:

• protezione delle strutture contro i fulmini diretti;
• protezione degli impianti elettrici contro i fulmini diretti e indiretti.

Il principio fondamentale per la protezione dell'impianto contro il rischio di fulmini è quello di evitare che l'energia di disturbo raggiunga le apparecchiature sensibili. Per ottenere ciò è necessario:

• catturare la corrente del fulmine e incanalarla a terra attraverso il percorso più diretto (evitando la vicinanza di apparecchiature sensibili);
• eseguire il collegamento equipotenziale dell'impianto; Questo collegamento equipotenziale è implementato collegando conduttori, integrati da dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) o spinterometri (ad esempio, spinterometro del palo dell'antenna).
• ridurre al minimo gli effetti indotti e indiretti installando SPD e / o filtri. Per eliminare o limitare le sovratensioni vengono utilizzati due sistemi di protezione: sono noti come sistema di protezione degli edifici (per l'esterno degli edifici) e sistema di protezione dell'impianto elettrico (per l'interno degli edifici).

Sistema di protezione degli edifici

Il ruolo del sistema di protezione dell'edificio è proteggerlo dai fulmini diretti.
Il sistema è composto da:

• il dispositivo di cattura: il sistema di protezione contro i fulmini;
• conduttori di discesa progettati per convogliare la corrente di fulmine a terra;
• Conduttori di terra "a zampa di gallina" collegati tra loro;
• collegamenti tra tutti i telai metallici (collegamento equipotenziale) e i conduttori di terra.

Quando la corrente di fulmine fluisce in un conduttore, se si manifestano differenze di potenziale tra questo e i telai collegati a terra che si trovano nelle vicinanze, questi ultimi possono provocare scariche elettriche distruttive.

I 3 tipi di sistema di protezione contro i fulmini
Vengono utilizzati tre tipi di protezione degli edifici:

Il parafulmine (asta semplice o con sistema di scatto)

Il parafulmine è una punta metallica di cattura posta nella parte superiore dell'edificio. È collegato a terra da uno o più conduttori (spesso strisce di rame) (vedere Fig. J12).

Fig. J12 - Parafulmine (asta semplice o con sistema di scatto)

Il parafulmine con fili tesi

Questi fili sono tesi sopra la struttura da proteggere. Sono utilizzati per proteggere strutture speciali: aree di lancio di razzi, applicazioni militari e protezione di linee aeree ad alta tensione (vedi Fig. J13).

Fig. J13 - Fili tesi

Il parafulmine con gabbia a rete (gabbia di Faraday)

Questa protezione comporta il posizionamento di numerosi conduttori / nastri di discesa simmetricamente intorno all'edificio. (vedi Fig. J14).

Questo tipo di sistema di protezione contro i fulmini viene utilizzato per edifici altamente esposti che ospitano installazioni molto sensibili come le sale computer.

Fig. J14 - Gabbia a rete (gabbia di Faraday)

Conseguenze della protezione dell'edificio per le apparecchiature dell'impianto elettrico

Il 50% della corrente di fulmine scaricata dal sistema di protezione dell'edificio risale nelle reti di messa a terra dell'impianto elettrico (vedi Fig. J15): il potenziale rialzo degli infissi molto frequentemente supera la capacità di tenuta d'isolamento dei conduttori nelle varie reti ( LV, telecomunicazioni, cavo video, ecc.).

Inoltre, il flusso di corrente attraverso i conduttori di discesa genera sovratensioni indotte nell'impianto elettrico.

Di conseguenza, il sistema di protezione dell'edificio non protegge l'impianto elettrico: è quindi obbligatorio prevedere un sistema di protezione dell'impianto elettrico.

Fig. J15 - Corrente di ritorno da fulmine diretta

Protezione contro i fulmini - Sistema di protezione dell'impianto elettrico

L'obiettivo principale del sistema di protezione dell'impianto elettrico è limitare le sovratensioni a valori accettabili per l'apparecchiatura.

Il sistema di protezione dell'impianto elettrico è costituito da:

• uno o più SPD a seconda della configurazione dell'edificio;
• il collegamento equipotenziale: una rete metallica di parti conduttive esposte.

Implementazione

La procedura per proteggere gli impianti elettrici ed elettronici di un edificio è la seguente.

Cerca per informazioni

• Identifica tutti i carichi sensibili e la loro posizione nell'edificio.
• Individuare gli impianti elettrici ed elettronici e i rispettivi punti di ingresso nell'edificio.
• Verificare se sull'edificio o nelle vicinanze è presente un impianto di protezione contro i fulmini.
• Acquisire familiarità con le normative applicabili all'ubicazione dell'edificio.
• Valutare il rischio di fulmini in base alla posizione geografica, al tipo di alimentazione, alla densità dei fulmini, ecc.

Implementazione della soluzione

• Installare i conduttori di collegamento sui telai tramite una rete.
• Installare un SPD nel centralino di ingresso BT.
• Installare un ulteriore SPD in ciascuna scheda di distribuzione secondaria situata in prossimità di apparecchiature sensibili (vedere Fig. J16).

Fig. J16 - Esempio di protezione di un impianto elettrico di grandi dimensioni

Il dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD)

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) vengono utilizzati per reti di alimentazione elettrica, reti telefoniche e bus di comunicazione e controllo automatico.

Il Surge Protection Device (SPD) è un componente del sistema di protezione dell'impianto elettrico.

Questo dispositivo è collegato in parallelo sul circuito di alimentazione dei carichi che deve proteggere (vedi Fig. J17). Può anche essere utilizzato a tutti i livelli della rete di alimentazione.

Questo è il tipo di protezione da sovratensione più comunemente usato ed efficiente.

Fig. J17 - Principio del sistema di protezione in parallelo

SPD collegato in parallelo ha un'alta impedenza. Una volta che la sovratensione transitoria appare nel sistema, l'impedenza del dispositivo diminuisce in modo che la corrente di picco venga guidata attraverso l'SPD, bypassando l'apparecchiatura sensibile.

Principio

SPD è progettato per limitare le sovratensioni transitorie di origine atmosferica e deviare le onde di corrente verso terra, in modo da limitare l'ampiezza di questa sovratensione ad un valore non pericoloso per l'impianto elettrico e per i quadri elettrici e di comando.

SPD elimina le sovratensioni

• in modo comune, tra fase e neutro o terra;
• in modo differenziale, tra fase e neutro.

In caso di sovratensione superiore alla soglia di intervento, l'SPD

• conduce l'energia a terra, in modo comune;
• distribuisce l'energia agli altri conduttori attivi, in modo differenziale.

I tre tipi di SPD

Tipo 1 SPD
L'SPD di Tipo 1 è consigliato nel caso specifico di edifici terziari e industriali, protetti da un sistema di protezione contro i fulmini o da una gabbia a rete.
Protegge le installazioni elettriche dai fulmini diretti. Può scaricare la corrente di ritorno dei fulmini che si propagano dal conduttore di terra ai conduttori di rete.
L'SPD di tipo 1 è caratterizzato da un'onda di corrente di 10/350 µs.

Tipo 2 SPD
L'SPD di Tipo 2 è il principale sistema di protezione per tutte le installazioni elettriche a bassa tensione. Installato in ogni quadro elettrico, previene la propagazione di sovratensioni negli impianti elettrici e protegge i carichi.
L'SPD di tipo 2 è caratterizzato da un'onda di corrente di 8/20 µs.

Tipo 3 SPD
Questi SPD hanno una bassa capacità di scarica. Devono quindi essere obbligatoriamente installati come supplemento allo SPD di Tipo 2 e in prossimità di carichi sensibili.
L'SPD di tipo 3 è caratterizzato da una combinazione di onde di tensione (1.2 / 50 μs) e onde di corrente (8/20 μs).

Definizione normativa SPD

Fig. J18 - Definizione standard SPD

Nota 1: esistono SPD T1 + T2 (o SPD Type 1 + 2) che combinano la protezione dei carichi contro i fulmini diretti e indiretti.

Nota 2: alcuni SPD T2 possono anche essere dichiarati T3

Caratteristiche di SPD

La norma internazionale IEC 61643-11 Edizione 1.0 (03/2011) definisce le caratteristiche e le prove per SPD collegati a sistemi di distribuzione a bassa tensione (vedere Fig. J19).

In verde, il raggio d'azione garantito dell'SPD.
Fig. J19 - Caratteristica tempo / corrente di un SPD con varistore

Caratteristiche comuni

• U_C: Massima tensione di esercizio continua. Questa è la tensione CA o CC al di sopra della quale l'SPD diventa attivo. Questo valore viene scelto in base alla tensione nominale e alla disposizione di messa a terra dell'impianto.
• U_P: Livello di protezione della tensione (a I_n). Questa è la tensione massima ai terminali dell'SPD quando è attivo. Questa tensione viene raggiunta quando la corrente che scorre nell'SPD è uguale a In. Il livello di protezione della tensione scelto deve essere inferiore alla capacità di resistenza alla sovratensione dei carichi. In caso di fulmini, la tensione sui terminali dell'SPD rimane generalmente inferiore a U_P.
• In: corrente di scarica nominale. Questo è il valore di picco di una forma d'onda di corrente di 8/20 µs che l'SPD è in grado di scaricare un minimo di 19 volte.

Perché è importante?
In corrisponde ad una corrente di scarica nominale che un SPD può sopportare almeno 19 volte: un valore più alto di In significa una vita più lunga per l'SPD, quindi si consiglia vivamente di scegliere valori superiori al valore minimo imposto di 5 kA.

Tipo 1 SPD

• I_folletto: Corrente impulsiva. Questo è il valore di picco di una corrente di forma d'onda di 10/350 µs che l'SPD è in grado di scaricare o scaricare almeno una volta.

Perché sono io_folletto importante?
La norma IEC 62305 richiede un valore massimo di corrente impulsiva di 25 kA per polo per il sistema trifase. Ciò significa che per una rete 3P + N l'SPD dovrebbe essere in grado di sopportare una corrente impulsiva massima totale di 100kA proveniente dalla messa a terra.

• I_fi: Autoestinguenza segue corrente. Applicabile solo alla tecnologia spinterometro. Questa è la corrente (50 Hz) che l'SPD è in grado di interrompere da solo dopo il flashover. Questa corrente deve essere sempre maggiore della corrente di cortocircuito presunta nel punto di installazione.

Tipo 2 SPD

• Imax: corrente di scarica massima. Questo è il valore di picco di una corrente di forma d'onda di 8/20 µs che l'SPD è in grado di scaricare una volta.

Perché Imax è importante?
Se si confrontano 2 SPD con lo stesso In, ma con Imax diverso: l'SPD con un valore Imax più alto ha un "margine di sicurezza" più elevato e può sopportare picchi di corrente più elevati senza subire danni.

Tipo 3 SPD

• U_OC: Tensione a circuito aperto applicata durante i test di classe III (Tipo 3).

principali applicazioni

• SPD a bassa tensione. Con questo termine vengono designati dispositivi molto diversi, sia dal punto di vista tecnologico che di utilizzo. Gli scaricatori di bassa tensione sono modulari per essere facilmente installati all'interno di quadri BT. Esistono anche SPD adattabili alle prese di corrente, ma questi dispositivi hanno una bassa capacità di scarica.

• SPD per reti di comunicazione. Questi dispositivi proteggono le reti telefoniche, le reti commutate e le reti di controllo automatico (bus) dalle sovratensioni provenienti dall'esterno (fulmini) e da quelle interne alla rete di alimentazione (apparecchiature inquinanti, manovra di quadri, ecc.). Tali SPD sono anche installati nei connettori RJ11, RJ45, ... o integrati nei carichi.

Note

1. Sequenza di prova secondo lo standard IEC 61643-11 per SPD basato su MOV (varistore). Un totale di 19 impulsi a I_n:

• Un impulso positivo
• Un impulso negativo
• 15 impulsi sincronizzati ogni 30 ° sulla tensione di 50 Hz
• Un impulso positivo
• Un impulso negativo

2. per SPD di tipo 1, dopo i 15 impulsi a I_n (vedi nota precedente):

• Un impulso a 0.1 x I_folletto
• Un impulso a 0.25 x I_folletto
• Un impulso a 0.5 x I_folletto
• Un impulso a 0.75 x I_folletto
• Un impulso a I_folletto

Progettazione del sistema di protezione dell'impianto elettrico
Regole di progettazione del sistema di protezione dell'impianto elettrico

Per proteggere un'installazione elettrica in un edificio, si applicano semplici regole per la scelta di

• SPD (s);
• il suo sistema di protezione.

Per un sistema di distribuzione di energia, le principali caratteristiche utilizzate per definire il sistema di protezione contro i fulmini e selezionare un SPD per proteggere un impianto elettrico in un edificio sono:

• SPD
• quantità di SPD
• Digitare
• livello di esposizione per definire la corrente di scarica massima dell'SPD Imax.
• Il dispositivo di protezione da cortocircuito
• corrente di scarica massima Imax;
• corrente di cortocircuito Isc nel punto di installazione.

Il diagramma logico nella Figura J20 di seguito illustra questa regola di progettazione.

Fig. J20 - Diagramma logico per la selezione di un sistema di protezione

Le altre caratteristiche per la selezione di un SPD sono predefinite per l'installazione elettrica.

• numero di poli in SPD;
• livello di protezione tensione U_P;
• U_C: Massima tensione di esercizio continua.

In questa sottosezione Progettazione del sistema di protezione dell'impianto elettrico vengono descritti in maggior dettaglio i criteri di scelta del sistema di protezione in funzione delle caratteristiche dell'impianto, delle apparecchiature da proteggere e dell'ambiente.

Elementi del sistema di protezione

SPD deve essere sempre installato all'origine dell'installazione elettrica.

Ubicazione e tipo di SPD

Il tipo di SPD da installare all'origine dell'installazione dipende dalla presenza o meno di un sistema di protezione contro i fulmini. Se l'edificio è dotato di un sistema di protezione contro i fulmini (secondo IEC 62305), è necessario installare uno scaricatore di tipo 1.

Per gli SPD installati all'estremità di ingresso dell'impianto, gli standard di installazione IEC 60364 stabiliscono valori minimi per le seguenti 2 caratteristiche:

• Corrente di scarica nominale I_n = 5 kA (8/20)µs;
• Livello di protezione della tensione U_P(a I_n) <2.5 kV.

Il numero di SPD aggiuntivi da installare è determinato da:

• le dimensioni del sito e la difficoltà di installare i conduttori di collegamento. Su siti di grandi dimensioni, è essenziale installare un SPD all'estremità in ingresso di ogni armadio di distribuzione secondaria.
• la distanza che separa i carichi sensibili da proteggere dal dispositivo di protezione dell'estremità in ingresso. Quando i carichi si trovano a più di 10 metri di distanza dal dispositivo di protezione dell'estremità in ingresso, è necessario prevedere una protezione fine aggiuntiva il più vicino possibile ai carichi sensibili. I fenomeni di riflessione dell'onda sono in aumento da 10 metri vedi Propagazione di un'onda di fulmine
• il rischio di esposizione. Nel caso di un sito molto esposto, l'SPD in ingresso non può garantire sia un flusso elevato di corrente di fulmine sia un livello di protezione di tensione sufficientemente basso. In particolare, un SPD di Tipo 1 è generalmente accompagnato da un SPD di Tipo 2.

La tabella in Figura J21 sottostante mostra la quantità e il tipo di SPD da impostare sulla base dei due fattori sopra definiti.

Fig. J21 - I 4 casi di implementazione di SPD

Livelli di protezione distribuiti

Diversi livelli di protezione di SPD consentono di distribuire l'energia tra più SPD, come mostrato nella Figura J22 in cui sono previste le tre tipologie di SPD:

• Tipo 1: quando l'edificio è dotato di un impianto di protezione contro i fulmini e si trova all'estremità di ingresso dell'impianto, assorbe una quantità di energia molto elevata;
• Tipo 2: assorbe le sovratensioni residue;
• Tipo 3: fornisce una protezione "fine", se necessario, alle apparecchiature più sensibili situate molto vicino ai carichi.

Nota: gli SPD di Tipo 1 e 2 possono essere combinati in un unico SPD
Fig. J22 - Architettura di protezione fine

Caratteristiche comuni degli SPD in base alle caratteristiche dell'installazione
Massima tensione di esercizio continuativa Uc

A seconda della disposizione di messa a terra del sistema, la massima tensione di esercizio continua U_C di SPD deve essere uguale o maggiore dei valori riportati nella tabella in Figura J23.

Fig. J23 - Valore minimo stabilito di U_C per SPD a seconda della disposizione di messa a terra del sistema (in base alla Tabella 534.2 della norma IEC 60364-5-53)

N / A: non applicabile
U: tensione concatenata del sistema a bassa tensione
un. questi valori sono relativi alle peggiori condizioni di guasto, quindi la tolleranza del 10% non viene presa in considerazione.

I valori più comuni di UC scelti in base alla disposizione di messa a terra del sistema.
TT, TN: 260, 320, 340, 350 V.
IT: 440, 460 V

Livello di protezione della tensione U_P (a I_n)

La norma IEC 60364-4-44 aiuta nella scelta del livello di protezione Up per l'SPD in funzione dei carichi da proteggere. La tabella della Figura J24 indica la capacità di tenuta all'impulso di ogni tipo di apparecchiatura.

Fig. J24 - Tensione impulsiva nominale richiesta dell'apparecchiatura Uw (tabella 443.2 della IEC 60364-4-44)

un. Secondo IEC 60038: 2009.
b. Questa tensione impulsiva nominale viene applicata tra conduttori sotto tensione e PE.
c. In Canada e negli USA, per tensioni verso terra superiori a 300 V, si applica la tensione impulsiva nominale corrispondente alla successiva tensione più alta in questa colonna.
d. Per il funzionamento dei sistemi IT a 220-240 V, deve essere utilizzata la riga 230/400, a causa della tensione a terra sul guasto a terra su una linea.

Fig. J25 - Categoria di sovratensione dell'apparecchiatura

	Apparecchiature della categoria di sovratensione Sono adatto solo per l'installazione fissa di edifici in cui sono applicati mezzi di protezione all'esterno dell'apparecchiatura - per limitare le sovratensioni transitorie al livello specificato. Esempi di tali apparecchiature sono quelle contenenti circuiti elettronici come computer, apparecchi con programmi elettronici, ecc.
	Le apparecchiature di categoria di sovratensione II sono adatte per il collegamento all'impianto elettrico fisso, fornendo un normale grado di disponibilità normalmente richiesto per le apparecchiature che utilizzano corrente. Esempi di tali apparecchiature sono elettrodomestici e carichi simili.
	Le apparecchiature di categoria di sovratensione III devono essere utilizzate nell'installazione fissa a valle e inclusa la scheda di distribuzione principale, fornendo un alto grado di disponibilità. Esempi di tali apparecchiature sono quadri di distribuzione, interruttori automatici, sistemi di cablaggio inclusi cavi, sbarre collettrici, scatole di giunzione, interruttori, prese) nell'installazione fissa e apparecchiature per uso industriale e alcune altre apparecchiature, ad esempio motori fissi con un collegamento permanente all'impianto fisso.
	Le apparecchiature di categoria di sovratensione IV sono adatte per l'uso in corrispondenza o in prossimità dell'origine dell'installazione, ad esempio a monte del quadro di distribuzione principale. Esempi di tali apparecchiature sono contatori elettrici, dispositivi di protezione da sovracorrente primari e unità di controllo delle ondulazioni.

La U "installata"_P le prestazioni devono essere confrontate con la capacità di resistenza agli impulsi dei carichi.

SPD ha un livello di protezione della tensione U_P che è intrinseco, cioè definito e testato indipendentemente dalla sua installazione. In pratica, per la scelta di U_P prestazioni di un SPD, è necessario prendere un margine di sicurezza per tenere conto delle sovratensioni inerenti all'installazione dell'SPD (vedere Figura J26 e Collegamento del dispositivo di protezione contro le sovratensioni).

Fig. J26 - Installato U_P

Il livello di protezione della tensione “installata” U_P generalmente adottata per proteggere le apparecchiature sensibili nelle installazioni elettriche a 230/400 V è 2.5 kV (categoria di sovratensione II, vedere Fig. J27).

Nota:
Se il livello di protezione della tensione stabilito non può essere raggiunto dall'SPD dell'estremità in ingresso o se le apparecchiature sensibili sono remote (vedere Elementi del sistema di protezione # Ubicazione e tipo di SPD Ubicazione e tipo di SPD, è necessario installare SPD coordinato aggiuntivo per ottenere livello di protezione richiesto.

Numero di poli

• A seconda della disposizione di messa a terra del sistema, è necessario prevedere un'architettura SPD che garantisca la protezione in modo comune (CM) e modo differenziale (DM).

Fig. J27 - Necessità di protezione in base alla disposizione di messa a terra dell'impianto

un. La protezione tra fase e neutro può essere incorporata nell'SPD posto all'origine dell'impianto oppure essere remotata in prossimità dell'apparecchiatura da proteggere
b. Se distribuito neutro

Nota:

Sovratensione di modo comune
Una forma base di protezione consiste nell'installare un SPD in modo comune tra le fasi e il conduttore PE (o PEN), qualunque sia il tipo di messa a terra del sistema utilizzato.

Sovratensione in modo differenziale
Nei sistemi TT e TN-S la messa a terra del neutro determina un'asimmetria dovuta alle impedenze di terra che porta alla comparsa di tensioni di modo differenziale, anche se la sovratensione indotta da un colpo di fulmine è di modo comune.

SPD 2P, 3P e 4P
(vedi Fig. J28)
Questi sono adattati ai sistemi IT, TN-C, TN-CS.
Forniscono protezione solo contro le sovratensioni di modo comune

Fig. J28 - SPD 1P, 2P, 3P, 4P

SPD 1P + N, 3P + N
(vedi Fig. J29)
Questi sono adattati ai sistemi TT e TN-S.
Forniscono protezione contro le sovratensioni di modo comune e di modo differenziale

Fig. J29 - SPD 1P + N, 3P + N

Selezione di un SPD di tipo 1
Corrente impulsiva Iimp

• Dove non esistono normative nazionali o normative specifiche per il tipo di edificio da proteggere: la corrente impulsiva Iimp deve essere di almeno 12.5 kA (10/350 µs onda) per diramazione secondo IEC 60364-5-534.
• Dove esistono normative: la norma IEC 62305-2 definisce 4 livelli: I, II, III e IV

La tabella in Figura J31 mostra i diversi livelli di I_folletto nel caso regolamentare.

Fig. J30 - Esempio base di bilanciata I_folletto distribuzione corrente in sistema trifase

Fig. J31 - Tabella di I_folletto valori in base al livello di protezione della tensione dell'edificio (basato su IEC / EN 62305-2)

Autoestinguenza segue corrente I_fi

Questa caratteristica è applicabile solo per SPD con tecnologia a spinterometro. L'autoestinzione segue la corrente I_fi deve essere sempre maggiore della corrente di cortocircuito presunta I_sc nel punto di installazione.

Selezione di un SPD di tipo 2
Massima corrente di scarica Imax

La massima corrente di scarica Imax è definita in base al livello di esposizione stimato relativo all'ubicazione dell'edificio.
Il valore della corrente di scarica massima (Imax) è determinato dall'analisi dei rischi (vedere la tabella nella Figura J32).

Fig. J32 - Corrente di scarica massima consigliata Imax in base al livello di esposizione

Selezione del dispositivo di protezione da cortocircuito esterno (SCPD)

I dispositivi di protezione (termica e cortocircuito) devono essere coordinati con l'SPD per garantire un funzionamento affidabile, es
garantire la continuità del servizio:

• resistere alle onde della corrente dei fulmini
• non generare una tensione residua eccessiva.

garantire una protezione efficace contro tutti i tipi di sovracorrente:

• sovraccarico a seguito della fuga termica del varistore;
• cortocircuito di bassa intensità (impedente);
• cortocircuito di alta intensità.

Rischi da evitare a fine vita degli SPD
A causa dell'invecchiamento

In caso di fine vita naturale per invecchiamento la protezione è di tipo termico. SPD con varistori deve avere un sezionatore interno che disabiliti l'SPD.
Nota: la fine del ciclo di vita per fuga termica non riguarda l'SPD con tubo a scarica di gas o spinterometro incapsulato.

A causa di una colpa

Le cause di fine vita per guasto da cortocircuito sono:

• Capacità di scarica massima superata. Questo guasto provoca un forte cortocircuito.
• Un guasto dovuto al sistema di distribuzione (commutazione neutro / fase, disconnessione neutro).
• Graduale deterioramento del varistore.
  Gli ultimi due guasti provocano un cortocircuito impedente.
  L'impianto deve essere protetto dai danni derivanti da queste tipologie di guasto: il sezionatore interno (termico) sopra definito non ha tempo di riscaldarsi, quindi di intervenire.
  Deve essere installato uno speciale dispositivo denominato “Dispositivo esterno di protezione da cortocircuito (SCPD esterno)”, in grado di eliminare il cortocircuito. Può essere implementato da un interruttore automatico o da un fusibile.

Caratteristiche del SCPD esterno

L'SCPD esterno dovrebbe essere coordinato con l'SPD. È progettato per soddisfare i seguenti due vincoli:

Resistenza alla corrente di fulmine

La resistenza alla corrente di fulmine è una caratteristica essenziale del dispositivo di protezione da cortocircuito esterno dell'SPD.
L'SCPD esterno non deve intervenire per 15 correnti impulsive successive a In.

Tenuta alla corrente di cortocircuito

• Il potere di interruzione è determinato dalle regole di installazione (norma IEC 60364):
  L'SCPD esterno deve avere un potere di interruzione uguale o superiore alla corrente di cortocircuito presunta Isc nel punto di installazione (in conformità con lo standard IEC 60364).
• Protezione dell'impianto contro i cortocircuiti
  In particolare, il cortocircuito impedente dissipa molta energia e dovrebbe essere eliminato molto rapidamente per evitare danni all'impianto e all'SPD.
  La corretta associazione tra un SPD e il suo SCPD esterno deve essere fornita dal produttore.

Modalità di installazione per SCPD esterno
Dispositivo "in serie"

L'SCPD è descritto come “in serie” (vedi Fig. J33) quando la protezione è eseguita dal dispositivo di protezione generale della rete da proteggere (ad esempio, interruttore di collegamento a monte di un impianto).

Fig. J33 - SCPD "in serie"

Dispositivo "in parallelo"

L'SCPD è descritto come “in parallelo” (vedi Fig. J34) quando la protezione è eseguita specificamente da un dispositivo di protezione associato all'SPD.

• L'SCPD esterno è chiamato "interruttore di sezionamento" se la funzione è svolta da un interruttore.
• L'interruttore di sezionamento può o non può essere integrato nell'SPD.

Fig. J34 - SCPD "in parallelo"

Nota:
Nel caso di un SPD con tubo a scarica di gas o spinterometro incapsulato, l'SCPD consente di interrompere la corrente immediatamente dopo l'uso.

Garanzia di protezione

L'SCPD esterno deve essere coordinato con l'SPD e testato e garantito dal produttore dell'SPD in conformità con le raccomandazioni dello standard IEC 61643-11. Dovrebbe anche essere installato in conformità con le raccomandazioni del produttore. Come esempio, vedere le tabelle di coordinamento SCPD elettrico + SPD.

Quando questo dispositivo è integrato, la conformità alla norma di prodotto IEC 61643-11 garantisce naturalmente la protezione.

Fig. J35 - SPD con SCPD esterno, non integrato (iC60N + iPRD 40r) e integrato (iQuick PRD 40r)

Riepilogo delle caratteristiche degli SCPD esterni

Un'analisi dettagliata delle caratteristiche è fornita nella sezione Caratteristiche dettagliate del SCPD esterno.
La tabella in Figura J36 mostra, su un esempio, un riepilogo delle caratteristiche secondo i vari tipi di SCPD esterno.

Fig. J36 - Caratteristiche della protezione di fine vita di un SPD di Tipo 2 secondo gli SCPD esterni

Modalità di installazione per SCPD esterno	In serie	In parallelo
		Protezione con fusibili associata	Protezione dell'interruttore associata	Protezione dell'interruttore integrata
Protezione contro le sovratensioni delle apparecchiature	=	=	=	=
	Gli SPD proteggono l'attrezzatura in modo soddisfacente indipendentemente dal tipo di SCPD esterno associato
Protezione dell'installazione a fine vita	-	=	+	++
	Nessuna garanzia di protezione possibile	Garanzia del produttore		Garanzia totale
		Protezione dai cortocircuiti di impedenza non ben assicurata	Protezione dai cortocircuiti perfettamente assicurata
Continuità del servizio a fine vita	- -	+	+	+
	L'installazione completa viene interrotta	Viene disattivato solo il circuito SPD
Manutenzione a fine vita	- -	=	+	+
	Richiesto l'arresto dell'impianto	Sostituzione dei fusibili	Ripristino immediato

Tabella di coordinamento SPD e dispositivi di protezione

La tabella nella Figura J37 seguente mostra il coordinamento degli interruttori di sezionamento (SCPD esterni) per SPD di Tipo 1 e 2 del marchio XXX Electric per tutti i livelli di correnti di cortocircuito.

Il coordinamento tra SPD ed i suoi interruttori sezionatori, indicato e garantito da Electric, assicura una protezione affidabile (tenuta alle onde di fulmine, protezione rinforzata delle correnti di cortocircuito di impedenza, ecc.)

Fig. J37 - Esempio di tabella di coordinamento tra SPD e relativi interruttori di sezionamento. Fare sempre riferimento alle tabelle più recenti fornite dai produttori.

Coordinamento con dispositivi di protezione a monte

Coordinamento con dispositivi di protezione da sovracorrente
In un impianto elettrico, il SCPD esterno è un apparato identico all'apparato di protezione: ciò consente di applicare selettività e tecniche a cascata per l'ottimizzazione tecnica ed economica del piano di protezione.

Coordinamento con dispositivi differenziali
Se l'SPD è installato a valle di un dispositivo di protezione differenziale, quest'ultimo deve essere di tipo “si” o selettivo con un'immunità a correnti impulsive di almeno 3 kA (onda di corrente 8/20 μs).

Installazione del dispositivo di protezione contro le sovratensioni
Collegamento del dispositivo di protezione contro le sovratensioni

I collegamenti di un SPD ai carichi devono essere il più brevi possibile in modo da ridurre il valore del livello di protezione della tensione (installato Up) sui terminali delle apparecchiature protette.

La lunghezza totale dei collegamenti SPD alla rete e alla morsettiera di terra non deve superare i 50 cm.

Una delle caratteristiche essenziali per la protezione delle apparecchiature è il livello massimo di protezione di tensione (installato Up) che l'apparecchiatura può sopportare ai suoi terminali. Di conseguenza, un SPD dovrebbe essere scelto con un livello di protezione della tensione Up adattato alla protezione dell'apparecchiatura (vedere Fig. J38). La lunghezza totale dei conduttori di collegamento è

L = L1 + L2 + L3.

Per le correnti ad alta frequenza, l'impedenza per unità di lunghezza di questo collegamento è di circa 1 µH / m.

Quindi, applicando la legge di Lenz a questa connessione: ΔU = L di / dt

L'onda di corrente normalizzata 8/20 µs, con un'ampiezza di corrente di 8 kA, crea di conseguenza un aumento di tensione di 1000 V per metro di cavo.

ΔU = 1 x 10-6 x 8 x 103/8 x 10-6 = 1000 V

Fig. J38 - Connessioni di un SPD L <50 cm

Di conseguenza la tensione ai terminali dell'apparecchiatura, apparecchiatura U, è:
Attrezzatura U = Up + U1 + U2
Se L1 + L2 + L3 = 50 cm e l'onda è 8/20 µs con un'ampiezza di 8 kA, la tensione ai terminali dell'apparecchiatura sarà superiore a + 500 V.

Collegamento in custodia di plastica

La figura J39 di seguito mostra come collegare un SPD in una custodia di plastica.

Fig. J39 - Esempio di collegamento in custodia plastica

Collegamento in custodia metallica

Nel caso di un quadro elettrico in una custodia metallica, può essere opportuno collegare l'SPD direttamente alla custodia metallica, utilizzando la custodia come conduttore di protezione (vedere Fig. J40).
Questa disposizione è conforme alla norma IEC 61439-2 e il produttore dell'assemblaggio deve assicurarsi che le caratteristiche della custodia ne rendano possibile l'uso.

Fig. J40 - Esempio di collegamento in custodia metallica

Sezione del conduttore

La sezione trasversale minima consigliata del conduttore tiene conto:

• Il normale servizio da fornire: Flusso dell'onda di corrente del fulmine sotto una caduta di tensione massima (regola dei 50 cm).
  Nota: a differenza delle applicazioni a 50 Hz, in cui il fenomeno del fulmine è ad alta frequenza, l'aumento della sezione del conduttore non riduce notevolmente la sua impedenza ad alta frequenza.
• Resistenza dei conduttori alle correnti di cortocircuito: Il conduttore deve resistere a una corrente di cortocircuito durante il tempo massimo di interruzione del sistema di protezione.
  La norma IEC 60364 raccomanda all'ingresso dell'installazione una sezione minima di:
• 4 mm2 (Cu) per il collegamento di SPD di Tipo 2;
• 16 mm2 (Cu) per il collegamento di SPD di Tipo 1 (presenza del sistema di protezione contro i fulmini).

Esempi di installazioni SPD buone e cattive

Fig. J41 - Esempi di installazioni SPD buone e cattive

La progettazione dell'installazione dell'apparecchiatura deve essere eseguita in conformità alle regole di installazione: la lunghezza dei cavi deve essere inferiore a 50 cm.

Regole di cablaggio del dispositivo di protezione contro le sovratensioni
Regola 1

La prima regola da rispettare è che la lunghezza dei collegamenti SPD tra la rete (tramite SCPD esterno) e la morsettiera di terra non deve superare i 50 cm.
La figura J42 mostra le due possibilità per il collegamento di un SPD.
Fig. J42 - SPD con SCPD esterno separato o integrato

Regola 2

I conduttori degli alimentatori uscenti protetti:

• deve essere collegato ai terminali dell'SCPD esterno o dell'SPD;
• deve essere fisicamente separato dai conduttori in ingresso inquinati.

Si trovano a destra dei terminali dell'SPD e dell'SCPD (vedere la Figura J43).

Fig. J43 - I collegamenti delle partenze protette in uscita sono a destra dei morsetti SPD

Regola 3

I conduttori di fase, neutro e di protezione (PE) della linea di alimentazione in ingresso devono scorrere uno accanto all'altro per ridurre la superficie del loop (vedere Fig. J44).

Regola 4

I conduttori in ingresso dell'SPD devono essere lontani dai conduttori in uscita protetti per evitare di inquinarli per accoppiamento (vedi Fig. J44).

Regola 5

I cavi devono essere fissati contro le parti metalliche della custodia (se presente) per ridurre al minimo la superficie del loop del telaio e quindi beneficiare di un effetto di schermatura contro i disturbi EM.

In tutti i casi è necessario verificare che i telai dei quadri e delle custodie siano messi a terra tramite collegamenti molto corti.

Infine, se si utilizzano cavi schermati, vanno evitate lunghezze elevate, perché riducono l'efficienza della schermatura (vedi Fig. J44).

Fig. J44 - Esempio di miglioramento dell'EMC mediante una riduzione delle superfici del loop e dell'impedenza comune in un armadio elettrico

Protezione contro le sovratensioni Esempi di applicazioni

Esempio di applicazione SPD in Supermercato

Fig. J46 - Rete di telecomunicazioni

Soluzioni e diagramma schematico

• La guida alla scelta dello scaricatore di sovratensioni ha permesso di determinare il valore preciso dello scaricatore di sovratensione all'arrivo dell'impianto e quello dell'interruttore di sezionamento associato.
• Poiché i dispositivi sensibili (U_folletto <1.5 kV) si trovano a più di 10 m dal dispositivo di protezione in ingresso, gli scaricatori di sovratensione di protezione fine devono essere installati il ​​più vicino possibile ai carichi.
• Per garantire una migliore continuità di servizio alle celle frigorifere: verranno utilizzati interruttori differenziali di tipo “si” per evitare interventi fastidiosi causati dall'aumento del potenziale di terra al passaggio dell'onda del fulmine.
• Per la protezione contro le sovratensioni atmosferiche: 1 installare uno scaricatore di sovratensioni nel quadro principale. 2, installare uno scaricatore di sovratensioni di protezione fine in ogni quadro (1 e 2) che alimenta i dispositivi sensibili situati a più di 10 m dallo scaricatore di sovratensione in ingresso. 3, installare uno scaricatore di sovratensioni sulla rete di telecomunicazioni per proteggere i dispositivi forniti, ad esempio allarmi antincendio, modem, telefoni, fax.

Consigli per il cablaggio

• Garantire l'equipotenzialità delle terminazioni di terra dell'edificio.
• Ridurre le aree dei cavi di alimentazione in loop.

Raccomandazioni per l'installazione

• Installa uno scaricatore di sovratensioni, io_max = 40 kA (8/20 µs) e un interruttore di disconnessione iC60 da 40 A.
• Installare scaricatori di sovratensione di protezione fine, I._max = 8 kA (8/20 µs) e gli interruttori automatici di disconnessione iC60 associati da 10 A

Fig. J46 - Rete di telecomunicazioni

SPD per applicazioni fotovoltaiche

La sovratensione può verificarsi nelle installazioni elettriche per vari motivi. Può essere causato da:

• La rete di distribuzione a seguito di fulmini o eventuali lavori eseguiti.
• Fulmini (nelle vicinanze o su edifici e installazioni fotovoltaiche o su parafulmini).
• Variazioni del campo elettrico dovute ai fulmini.

Come tutte le strutture esterne, gli impianti fotovoltaici sono esposti al rischio di fulmini che varia da regione a regione. Devono essere predisposti sistemi e dispositivi di prevenzione e arresto.

Protezione tramite collegamento equipotenziale

La prima salvaguardia da mettere in atto è un mezzo (conduttore) che garantisce il collegamento equipotenziale tra tutte le parti conduttive di un impianto fotovoltaico.

Lo scopo è collegare tutti i conduttori messi a terra e le parti metalliche e creare così lo stesso potenziale in tutti i punti del sistema installato.

Protezione mediante dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD)

Gli SPD sono particolarmente importanti per proteggere apparecchiature elettriche sensibili come inverter AC / DC, dispositivi di monitoraggio e moduli FV, ma anche altre apparecchiature sensibili alimentate dalla rete di distribuzione elettrica a 230 VAC. Il seguente metodo di valutazione del rischio si basa sulla valutazione della lunghezza critica Lcrit e sul suo confronto con L la lunghezza cumulativa delle linee dc.
La protezione SPD è necessaria se L ≥ Lcrit.
Lcrit dipende dal tipo di installazione FV ed è calcolato come indicato nella seguente tabella (Fig. J47):

Fig. J47 - Scelta SPD DC

L è la somma di:

• la somma delle distanze tra gli inverter e le scatole di giunzione, tenendo conto che le lunghezze del cavo situato nella stessa canalina vengono conteggiate una sola volta, e
• la somma delle distanze tra la scatola di giunzione ed i punti di connessione dei moduli fotovoltaici costituenti la stringa, tenendo conto che le lunghezze del cavo posto nella stessa canalina vengono conteggiate una sola volta.

Ng è la densità del fulmine dell'arco (numero di fulmini / km2 / anno).

Fig. J48 - Selezione SPD

Protezione SPD
Dove	Moduli fotovoltaici o scatole array		Lato DC inverter	Lato AC inverter		Scheda madre
	LDC			LAC		Parafulmine
Criteri	<10 m	> 10 m		<10 m	> 10 m	Sì	Non
Tipo di SPD	NESSUN BISOGNO	"SPD 1" Tipo 2 [a]	"SPD 2" Tipo 2 [a]	NESSUN BISOGNO	"SPD 3" Tipo 2 [a]	"SPD 4" Tipo 1 [a]	"SPD 4" Digitare 2 se Ng> 2.5 e linea aerea

[un]. 1 2 3 4 La distanza di separazione di tipo 1 secondo EN 62305 non è rispettata.

Installazione di un SPD

Il numero e la posizione degli SPD sul lato CC dipendono dalla lunghezza dei cavi tra i pannelli solari e l'inverter. L'SPD deve essere installato in prossimità dell'inverter se la lunghezza è inferiore a 10 metri. Se è maggiore di 10 metri è necessario un secondo SPD che va posizionato nel box vicino al pannello solare, il primo si trova nella zona inverter.

Per essere efficienti, i cavi di collegamento dell'SPD alla rete L + / L- e tra la morsettiera di terra dell'SPD e la sbarra di terra devono essere i più corti possibile - meno di 2.5 metri (d1 + d2 <50 cm).

Generazione di energia fotovoltaica sicura e affidabile

A seconda della distanza tra la parte “generatore” e la parte “conversione”, potrebbe essere necessario installare due o più scaricatori di sovratensione, per garantire la protezione di ciascuna delle due parti.

Fig. J49 - Posizione SPD

Supplementi tecnici per la protezione contro le sovratensioni

Standard di protezione contro i fulmini

Lo standard IEC 62305 parti da 1 a 4 (NF EN 62305 parti da 1 a 4) riorganizza e aggiorna le pubblicazioni standard IEC 61024 (serie), IEC 61312 (serie) e IEC 61663 (serie) sui sistemi di protezione contro i fulmini.

Parte 1 - Principi generali

Questa parte presenta informazioni generali sui fulmini e sulle sue caratteristiche e dati generali e introduce gli altri documenti.

Parte 2 - Gestione del rischio

Questa parte presenta l'analisi che permette di calcolare il rischio per una struttura e di determinare i diversi scenari di protezione al fine di consentire l'ottimizzazione tecnica ed economica.

Parte 3 - Danni fisici alle strutture e pericolo di vita

Questa parte descrive la protezione dai fulmini diretti, compreso il sistema di protezione contro i fulmini, conduttore di discesa, cavo di terra, equipotenzialità e quindi SPD con collegamento equipotenziale (SPD di tipo 1).

Parte 4 - Sistemi elettrici ed elettronici all'interno delle strutture

Questa parte descrive la protezione dagli effetti indotti dei fulmini, compreso il sistema di protezione da SPD (Tipi 2 e 3), la schermatura dei cavi, le regole per l'installazione di SPD, ecc.

Questa serie di standard è completata da:

• la serie di norme IEC 61643 per la definizione dei prodotti di protezione contro le sovratensioni (vedere I componenti di un SPD);
• le serie di norme IEC 60364-4 e -5 per l'applicazione dei prodotti in installazioni elettriche BT (vedere Indicazione di fine vita di un SPD).

I componenti di un DOCUP

L'SPD è costituito principalmente da (vedi Fig. J50):

1. uno o più componenti non lineari: la parte in tensione (varistore, tubo a scarica di gas [GDT], ecc.);
2. un dispositivo di protezione termica (sezionatore interno) che lo protegge dalla fuga termica a fine vita (SPD con varistore);
3. un indicatore che indica la fine del ciclo di vita del DOCUP; Alcuni SPD consentono la segnalazione a distanza di questa indicazione;
4. un SCPD esterno che fornisce protezione contro i cortocircuiti (questo dispositivo può essere integrato nell'SPD).

Fig. J50 - Schema di un SPD

La tecnologia della parte live

Sono disponibili diverse tecnologie per implementare la parte live. Ognuno di essi presenta vantaggi e svantaggi:

• Diodi Zener;
• Il tubo di scarico del gas (controllato o non controllato);
• Il varistore (varistore all'ossido di zinco [ZOV]).

La tabella seguente mostra le caratteristiche e le disposizioni di 3 tecnologie comunemente utilizzate.

Fig. J51 - Tabella riassuntiva delle prestazioni

Componente	Gas Discharge Tube (GDT)	Spinterometro incapsulato	Varistore all'ossido di zinco	GDT e varistore in serie	Spinterometro incapsulato e varistore in parallelo
Caratteristiche
Modalità operativa	Commutazione della tensione	Commutazione della tensione	Limitazione della tensione	Commutazione e limitazione della tensione in serie	Commutazione e limitazione della tensione in parallelo
Curve di funzionamento
Applicazioni	Rete di telecomunicazioni Rete BT (associato a varistore)	Rete BT	Rete BT	Rete BT	Rete BT
Tipo SPD	Tipo 2	Tipo 1	Tipo 1 o Tipo 2	Tipo 1+ Tipo 2	Tipo 1+ Tipo 2

Indicazione di fine vita di un DOCUP

Gli indicatori di fine vita sono associati al sezionatore interno e all'SCPD esterno dell'SPD per informare l'utente che l'apparecchiatura non è più protetta dalle sovratensioni di origine atmosferica.

Indicazione locale

Questa funzione è generalmente richiesta dai codici di installazione. L'indicazione di fine vita è data da un indicatore (luminoso o meccanico) al sezionatore interno e / o all'SCPD esterno.

Quando l'SCPD esterno è implementato da un dispositivo fusibile, è necessario prevedere un fusibile con un riscontro e una base dotata di un sistema di sgancio per garantire questa funzione.

Interruttore di sezionamento integrato

L'indicatore meccanico e la posizione della manopola di comando consentono l'indicazione naturale della fine del ciclo di vita.

Indicazione locale e reportistica remota

iQuick PRD SPD del marchio XXX Electric è del tipo “ready to wire” con un interruttore sezionatore integrato.

Indicazione locale

iQuick PRD SPD (vedere Fig. J53) è dotato di indicatori di stato meccanici locali:

• l'indicatore meccanico (rosso) e la posizione della maniglia dell'interruttore di sezionamento indicano l'arresto dell'SPD;
• l'indicatore meccanico (rosso) su ciascuna cartuccia indica la fine della durata della cartuccia.

Fig. J53 - iQuick PRD 3P + N SPD del marchio XXX Electric

Reporting remoto

(vedi Fig. J54)

iQuick PRD SPD è dotato di un contatto di segnalazione che consente la segnalazione a distanza di:

• fine vita cartuccia;
• una cartuccia mancante e quando è stata rimessa a posto;
• un guasto sulla rete (cortocircuito, disconnessione del neutro, inversione fase / neutro);
• commutazione manuale locale.

Di conseguenza, il monitoraggio remoto delle condizioni operative degli SPD installati consente di garantire che questi dispositivi di protezione in stato di standby siano sempre pronti a funzionare.

Fig. J54 - Installazione della spia luminosa con un iQuick PRD SPD

Fig. J55 - Indicazione remota dello stato SPD tramite Smartlink

Manutenzione a fine vita

Quando l'indicatore di fine vita indica l'arresto, è necessario sostituire l'SPD (o la cartuccia in questione).

Nel caso di iQuick PRD SPD, la manutenzione è facilitata:

• La cartuccia a fine vita (da sostituire) è facilmente identificabile dal Reparto Manutenzione.
• La cartuccia a fine vita può essere sostituita in totale sicurezza perché un dispositivo di sicurezza vieta la chiusura del sezionatore in caso di mancanza di una cartuccia.

Caratteristiche dettagliate del SCPD esterno

Resistenza alle onde di corrente

L'onda corrente resiste ai test su SCPD esterni come segue:

• Per una data potenza e tecnologia (NH o fusibile cilindrico), la capacità di sopportare le onde di corrente è migliore con un fusibile di tipo aM (protezione del motore) che con un fusibile di tipo gG (uso generale).
• Per un dato valore, l'onda di corrente resiste alla capacità è migliore con un interruttore di circuito che con un dispositivo fusibile. La figura J56 di seguito mostra i risultati dei test di tenuta all'onda di tensione:
• per proteggere un SPD definito per Imax = 20 kA, l'SCPD esterno da scegliere è un MCB 16 A o un Fusibile aM 63 A, Nota: in questo caso, un Fusibile gG 63 A non è adatto.
• per proteggere un SPD definito per Imax = 40 kA, l'SCPD esterno da scegliere è un MCB 40 A o un Fusibile aM 125 A,

Fig. J56 - Confronto delle capacità di resistenza all'onda di tensione degli SCPD per I_max = 20 kA e I_max = 40kA

Livello di protezione della tensione installato

In generale:

• La caduta di tensione sui terminali di un interruttore automatico è maggiore di quella sui terminali di un dispositivo fusibile. Questo perché l'impedenza dei componenti dell'interruttore (dispositivi di intervento termico e magnetico) è superiore a quella di un fusibile.

Però:

• La differenza tra le cadute di tensione rimane lieve per onde di corrente non superiori a 10 kA (95% dei casi);
• Il livello di protezione della tensione Up installato tiene conto anche dell'impedenza del cablaggio. Questo può essere alto nel caso di una tecnologia a fusibili (dispositivo di protezione remoto dall'SPD) e basso nel caso di una tecnologia a interruttore (interruttore vicino e persino integrato nell'SPD).

Nota: il livello di protezione della tensione Up installato è la somma delle cadute di tensione:

• nell'SPD;
• nel SCPD esterno;
• nel cablaggio dell'apparecchiatura

Protezione dai cortocircuiti di impedenza

Un cortocircuito di impedenza dissipa molta energia e dovrebbe essere eliminato molto rapidamente per evitare danni all'impianto e all'SPD.

La figura J57 confronta il tempo di risposta e la limitazione di energia di un sistema di protezione mediante un fusibile da 63 A aM e un interruttore automatico da 25 A.

Questi due sistemi di protezione hanno la stessa capacità di resistenza alle onde di corrente di 8/20 µs (rispettivamente 27 kA e 30 kA).

Fig. J57 - Confronto delle curve di limitazione di tempo / corrente ed energia per un interruttore e un fusibile aventi la stessa capacità di resistenza all'onda di corrente di 8/20 µs

Propagazione di un'onda di fulmine

Le reti elettriche sono a bassa frequenza e, di conseguenza, la propagazione dell'onda di tensione è istantanea rispetto alla frequenza del fenomeno: in qualsiasi punto di un conduttore, la tensione istantanea è la stessa.

L'onda del fulmine è un fenomeno ad alta frequenza (da diverse centinaia di kHz a un MHz):

• L'onda del fulmine si propaga lungo un conduttore ad una certa velocità relativa alla frequenza del fenomeno. Di conseguenza, in un dato momento, la tensione non ha lo stesso valore in tutti i punti del mezzo (vedi Fig. J58).

Fig. J58 - Propagazione di un'onda di fulmine in un conduttore

• Un cambio di mezzo crea un fenomeno di propagazione e / o riflessione dell'onda a seconda di:

1. la differenza di impedenza tra i due mezzi;
2. la frequenza dell'onda progressiva (ripidità del tempo di salita nel caso di un impulso);
3. la lunghezza del mezzo.

In caso di riflessione totale, in particolare, il valore della tensione può raddoppiare.

Esempio: il caso di protezione da parte di un SPD

Modellazione del fenomeno applicato ad un'onda di fulmine e prove in laboratorio hanno evidenziato che un carico alimentato da 30 m di cavo protetto a monte da un SPD a tensione Up sostiene, per fenomeni di riflessione, una tensione massima di 2 x U_P (vedi Fig. J59). Questa onda di tensione non è energetica.

Fig. J59 - Riflessione di un'onda di fulmine alla terminazione di un cavo

Azione correttiva

Dei tre fattori (differenza di impedenza, frequenza, distanza), l'unico che può essere realmente controllato è la lunghezza del cavo tra l'SPD e il carico da proteggere. Maggiore è questa lunghezza, maggiore è il riflesso.

Generalmente, per i fronti di sovratensione affrontati in un edificio, i fenomeni di riflessione sono significativi a partire da 10 me possono raddoppiare la tensione da 30 m (vedi Fig. J60).

È necessario installare un secondo SPD a protezione fine se la lunghezza del cavo supera i 10 m tra l'SPD in ingresso e l'apparecchiatura da proteggere.

Fig. J60 - Tensione massima all'estremità del cavo in funzione della sua lunghezza ad un fronte di tensione incidente = 4kV / us

Esempio di corrente di fulmine nel sistema TT

L'SPD di modo comune tra fase e PE o fase e PEN è installato qualunque sia il tipo di messa a terra del sistema (vedere Fig. J61).

La resistenza di terra neutra R1 utilizzata per i tralicci ha una resistenza inferiore rispetto alla resistenza di terra R2 utilizzata per l'installazione.

La corrente del fulmine fluirà attraverso il circuito ABCD a terra attraverso il percorso più semplice. Attraverserà i varistori V1 e V2 in serie provocando una tensione differenziale pari al doppio della tensione Up dell'SPD (U_P1+U_P2) apparire ai terminali di A e C all'ingresso dell'impianto in casi estremi.

Fig. J61 - Solo protezione comune

Per proteggere efficacemente i carichi tra Ph e N, la tensione di modo differenziale (tra A e C) deve essere ridotta.

Viene quindi utilizzata un'altra architettura SPD (vedi Fig. J62)

La corrente di fulmine scorre attraverso il circuito ABH che ha un'impedenza inferiore rispetto al circuito ABCD, poiché l'impedenza del componente utilizzato tra B e H è nulla (spinterometro riempito di gas). In questo caso, la tensione differenziale è uguale alla tensione residua dell'SPD (U_P2).

Fig. J62 - Protezione comune e differenziale