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

2.4 Il dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD)

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.

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, i quadri elettrici e gli alimentatori.

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 scaricatore 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

2.4.1 Caratteristiche dell'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).

• Caratteristiche comuni

- U_c: Massima tensione di esercizio continuo

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 I._n. Il livello di protezione della tensione scelto deve essere inferiore alla capacità di tenuta alla sovratensione dei carichi (vedere la sezione 3.2). In caso di fulmini, la tensione sui terminali dell'SPD rimane generalmente inferiore a U_p.

- I_n: 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 15 volte.

• Tipo 1 SPD

- I_folletto: Impulse attualmente

Questo è il valore di picco di una forma d'onda di corrente di 10/350 μs che l'SPD è in grado di scaricare 5 volte.

- 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

- I_max: Massima corrente di scarica

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 una volta.

• Tipo 3 SPD

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

2.4.2 Applicazioni principali

• 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.

3 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);
• è un sistema di protezione.

3.1 Regole di progettazione

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

- la quantità di SPD;

- genere;

- livello di esposizione per definire la massima corrente di scarica dell'SPD I_max.

• Il dispositivo di protezione da cortocircuito

- corrente massima di scarica I_max;

- corrente di cortocircuito I_sc nel punto di installazione.

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

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

• numero di poli in SPD;
• livello di protezione tensione U_p;
• tensione di esercizio U_c.

In questa sottosezione J3 vengono descritti in maggior dettaglio i criteri di scelta del sistema di protezione in funzione delle caratteristiche dell'impianto, dell'apparecchiatura da proteggere e dell'ambiente.

3.2 Elementi del sistema di protezione

All'origine dell'installazione elettrica deve essere sempre installato un SPD.

3.2.1 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 lato arrivo. Quando i carichi si trovano a più di 30 metri di distanza dal dispositivo di protezione dell'estremità in entrata, è necessario prevedere una protezione fine aggiuntiva il più vicino possibile ai carichi sensibili. I fenomeni di riflessione delle onde aumentano da 10 metri (vedi capitolo 6.5)
• 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.

3.4 Selezione di un SPD di tipo 1

3.4.1 Corrente impulsiva I_folletto

• Dove non esistono normative nazionali o normative specifiche per il tipo di edificio da proteggere, la corrente impulsiva I_folletto deve essere di almeno 12.5 kA (onda 10/350 μs) per diramazione in conformità con la norma IEC 60364-5-534.

• Dove esistono normative: lo standard 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.

3.4.2 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.

3.5 Selezione di un SPD di tipo 2

3.5.1 Massima corrente di scarica I_max

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 (I._max) è determinato da un'analisi dei rischi (vedere la tabella nella Figura J32).

3.6 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 di fulmine;

- non generare una tensione residua eccessiva.

• garantire una protezione efficace contro tutti i tipi di sovracorrente:

- sovraccarico a seguito di fuga termica del varistore;

- cortocircuito di bassa intensità (impedente);

- cortocircuito ad alta intensità.

3.6.1 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, neutro

disconnessione).

- 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.

3.6.2 Caratteristiche del SCPD (dispositivo di protezione da cortocircuito) 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 I_n.

Tenuta alla corrente di cortocircuito

• Il potere di rottura 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.

3.6.3 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).

• 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.

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.

Nota: i dispositivi di corrente residua di tipo S conformi agli standard IEC 61008 o IEC 61009-1 sono conformi a questo requisito.

3.7.1 Coordinamento con i 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 tecniche di discriminazione e 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).

4 Installazione di SPD

Le connessioni di un SPD ai carichi devono essere quanto 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.

Connessione 4.1

Una delle caratteristiche essenziali per la protezione delle apparecchiature è il livello di protezione della massima tensione (installato U_p) che l'apparecchiatura può sopportare ai suoi terminali. Di conseguenza, un SPD dovrebbe essere scelto con un livello di protezione della tensione U_p adattato alla protezione dell'attrezzatura (vedi 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 questa connessione è di circa 1 μH / m.

Quindi, applicando la legge di Lenz a questa connessione: ∆U = 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.

∆U = 1 x 10^-6 x 8 x 10³ / 8 x 10^-6 = 1000 V

Di conseguenza la tensione ai terminali dell'apparecchiatura, installata in alto, è:

installato U_p = u_p + 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 U_p +500V.

4.1.1 Collegamento nella custodia di plastica

La figura J39a di seguito mostra come collegare un SPD nella custodia di plastica.

4.1.2 Collegamento nell'armadio metallico

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. J39b).

Questa disposizione è conforme alla norma IEC 61439-2 e il produttore del MONTAGGIO deve assicurarsi che le caratteristiche della custodia rendano possibile tale utilizzo.

4.1.3 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 dei fulmini 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).

4.2 Regole di cablaggio

• 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 J40 mostra le due possibilità di connessione di un SPD.

• 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 (vedi Fig. J41).

• Regola 3: I conduttori di fase della linea di alimentazione, neutro e di protezione (PE) in entrata devono scorrere uno accanto all'altro per ridurre la superficie del loop (vedere Fig. J42).
• Regola 4: I conduttori in ingresso dell'SPD devono essere lontani dai conduttori in uscita protetti per evitare di inquinarli per accoppiamento (vedi Fig. J42).
• 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 schermante 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, dovrebbero essere evitate lunghezze elevate, perché riducono l'efficienza della schermatura (vedi Fig. J42).

Applicazione 5

5.1 Esempi di installazione

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_p <1.5 kV) si trovano a più di 30 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 per le zone celle frigorifere:

- Saranno 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:

- installare uno scaricatore di sovratensioni nel quadro principale

- installare uno scaricatore di sovratensione di protezione fine in ogni quadro (1 e 2) che alimenta i dispositivi sensibili posti a più di 30 m dallo scaricatore di sovratensione in ingresso

- 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

• Installare uno scaricatore di sovratensioni, Imax = 40 kA (8/20 μs) e un interruttore di disconnessione iC60 da 20 A.
• Installare scaricatori di sovratensione di protezione fine, Imax = 8 kA (8/20 μs) e gli interruttori automatici di disconnessione iC60 associati con valore nominale di 20.