Scaricatori di sovratensione e parafulmini

Di Ahmed El-Rasheed

Introduzione

Sebbene spesso considerati componenti secondari negli impianti di alimentazione elettrica, gli scaricatori di sovratensione e i parafulmini svolgono la funzione essenziale di proteggere le risorse dalle sovratensioni transitorie nella rete di alimentazione. Questi transienti sono causati da un'ampia varietà di eventi, tra cui guasti di sistema, scollegamenti e ricollegamenti, fenomeni di risonanza, ferrorisonanza e fulmini. In questo articolo, esamineremo brevemente le funzioni e i tipi di scaricatori, nonché i metodi consigliati per testarli.

A cosa servono gli scaricatori?

Questo articolo si concentra sull'utilizzo degli scaricatori negli impianti di trasmissione e distribuzione dell'energia, ma dispositivi simili sono impiegati in quasi tutti gli ambiti dell'ingegneria elettrica. Qualunque sia la sua applicazione, la funzione principale di uno scaricatore è quella di prevenire i danni causati da sovratensioni e fulmini. Gli scaricatori destinati all'impiego negli impianti di alimentazione sono disponibili presso numerosi produttori, tra cui ABB, Honeywell, Toshiba, Eaton e Siemens. Le caratteristiche e le prestazioni degli scaricatori sono regolate da numerosi standard nazionali e internazionali, ma due tra quelli a cui si fa più frequentemente riferimento sono IEEE C62.11 e IEC 60099-4. Sono disponibili molte tipologie di scaricatori di sovratensione e parafulmini, come illustrato nella Figura 1. Gli scaricatori sono solitamente classificati in base alla tensione nominale e le categorie più comuni sono:

• Dispositivi di protezione da sovratensioni a bassa tensione: Utilizzati in impianti di distribuzione con tensioni inferiori a 3 kV e nelle applicazioni di largo consumo, questi dispositivi proteggono gli apparecchi elettrici e gli avvolgimenti dei trasformatori a bassa tensione.
• Scaricatori di media tensione: Noti anche come scaricatori di classe intermedia, hanno in genere una tensione nominale compresa tra 3 kV e 30 kV. Sono impiegati negli impianti di distribuzione per proteggere trasformatori, cavi e apparecchiature di sottostazione.
• Scaricatori di alta tensione: Detti anche scaricatori "station class", vengono utilizzati per proteggere i trasformatori che funzionano a 30 kV o più e le relative apparecchiature di sottostazione.
• Scaricatori con valvola di scarico magnetica: Utilizzati per proteggere sistemi di comunicazione, trasformatori e altre apparecchiature con valori nominali da 30 kV a 700 kV e oltre.

Figura 1: Esempio di scaricatori di sovratensione

Indipendentemente dall'applicazione, gli scaricatori di sovratensione devono essere in grado di resistere alla grande quantità di energia generata dalla corrente che li attraversa quando sono sottoposti a una sovratensione. I fulmini, in particolare, possono generare livelli di energia molto elevati all'interno di uno scaricatore, e i dispositivi progettati e dimensionati per offrire protezione in questi casi sono solitamente definiti parafulmini. L'esigenza di una protezione dai fulmini è illustrata graficamente nella Figura 2, che mostra un trasformatore di tensione prima e dopo essere stato colpito da un fulmine. Se correttamente selezionati e installati, i parafulmini avrebbero deviato in sicurezza l'energia dal fulmine a terra; in questo caso, però, il trasformatore scarsamente protetto è stato distrutto.

Figura 2: Trasformatore di tensione prima e dopo essere stato colpito da un fulmine

Gli scaricatori vengono installati in parallelo con le apparecchiature da proteggere. Alle normali tensioni d'esercizio, gli scaricatori hanno una resistenza elevata, e i flussi di corrente che li attraversano sono minimi o nulli. Quando sono soggetti a una sovratensione superiore rispetto al normale, gli scaricatori passano a uno stato a bassa resistenza, lasciando passare una corrente elevata. Di conseguenza, l'energia della sovratensione viene deviata dall'apparecchiatura protetta e convogliata in modo sicuro verso terra. Quando la tensione attraverso lo scaricatore torna a valori normali, il dispositivo ripristina il suo stato ad alta resistenza.

Per garantire la massima efficacia della protezione e prevenire danni alle apparecchiature adiacenti durante un evento di sovratensione, gli scaricatori devono essere installati con attenzione e collegati saldamente a terra. La Figura 3 mostra esempi di scaricatori di sovratensione installati sulle boccole del trasformatore.

Figura 3: Scaricatori sulle boccole del trasformatore 

In quale materiale sono realizzati gli scaricatori?

La maggior parte degli scaricatori moderni è realizzata con varistori a ossido di metallo (MOV), dispositivi semiconduttori sensibili alla tensione. A una tensione d'esercizio nominale, un MOV si comporta come un isolante, mentre a tensioni più elevate si comporta come conduttore. La Figura 4 mostra la curva di tensione/corrente per un tipico MOV a temperatura costante. Si noti che la scala di corrente è logaritmica, perciò quando la tensione attraverso il MOV raggiunge il punto in cui inizia a condurre, la corrente aumenta molto rapidamente anche a fronte di una piccola variazione di tensione.

Figura 4: Curva V-1 per un tipico varistore a ossido di metallo (dalle linee guida per l'applicazione ABB - Protezione da sovratensione in sistemi a media tensione) 

Facendo riferimento a questa curva, la tensione Uc rappresenta la tensione di esercizio continua alla quale il flusso di corrente che attraversa lo scaricatore è molto basso. Uref è la tensione del knee point, dove il MOV inizia a passare allo stato a bassa resistenza. Oltre questo punto, nella zona B, la resistenza del MOV diminuisce rapidamente. Upl è la tensione di picco ammissibile, e il MOV potrebbe subire danni se sottoposto a tensioni più elevate.

Nei dispositivi reali, più MOV sono contenuti in un alloggiamento isolante rigido, dotato di sfiati o alette per la dissipazione del calore, come illustrato nella Figura 5.

Test e verifica degli scaricatori

Poiché in molti casi uno scaricatore difettoso non produce alcun sintomo in normali condizioni di servizio, è necessario eseguire controlli regolari per garantire che i dispositivi installati siano ancora in grado di fornire la protezione necessaria contro danni e guasti potenzialmente catastrofici. Esistono tre metodi principali per eseguire questi controlli: ispezione visiva, ispezione passiva a infrarossi e test elettrici.

Ispezione visiva

L'ispezione visiva è la prima fase, la più semplice, ma deve essere eseguita da ingegneri e tecnici qualificati, che esaminano attentamente ogni scaricatore alla ricerca di incrinature che potrebbero causare malfunzionamenti in condizioni di sovratensione. Viene inoltre verificata l'eventuale presenza di corrosione, collegamenti del cablaggio logorati e segni di penetrazione di acqua. Talvolta gli scaricatori di alta tensione sono dotati di contatori di sovratensione e, se presenti, è necessario controllarne il conteggio. Alcuni produttori consigliano un numero massimo di sovratensioni che il loro prodotto è in grado di sopportare e, se viene raggiunto, è necessario pianificare la sostituzione.

La fase finale dell'ispezione visiva consiste nel confrontare i registri della corrente in ingresso nella struttura e la quantità di energia utilizzata. Una tendenza all'aumento del consumo energetico in un impianto di trasmissione o distribuzione è spesso un'indicazione di guasti in fase di sviluppo e dovrebbe essere indagata ulteriormente, tenendo presente che un calo di efficienza non è sempre causato da uno scaricatore difettoso, ma uno scaricatore difettoso può causare cali di efficienza.

Ispezione termica

L'ispezione termica degli scaricatori viene eseguita utilizzando sensori installati in modo permanente o una termocamera per rilevare i punti caldi derivanti da una perdita di potenza nello scaricatore. Idealmente, i sensori termici dovrebbero essere installati vicino a linee di alimentazione, trasformatori e luoghi simili in cui vengono utilizzati gli scaricatori. Con una termocamera è possibile rilevare problemi specifici, come guasti nel cablaggio o incrinature nelle bocchette di raffreddamento, come illustrato nella Figura 6. È importante utilizzare la termocamera per visualizzare lo scaricatore da tutti i lati, poiché alcuni guasti possono interessare solo un lato. È anche utile osservare le tendenze termiche su lunghi periodi, in quanto possono rivelare problemi in fase iniziale prima che causino interruzioni o gravi guasti.

Test elettrici

I test elettrici vengono eseguiti da ispettori certificati, il cui primo compito consiste nell'identificare la funzione principale del dispositivo. La procedura consigliata prevede che l'ispettore registri questa funzione insieme alla tensione d'esercizio, all'intervallo di tensione, al fattore di potenza, alla frequenza, all'intervallo di frequenza, al tipo di alimentazione di rete, ai limiti di carico e altro ancora. Il rapporto di ispezione deve includere anche i dettagli del registro di manutenzione dell'apparecchiatura e il numero di volte in cui l'interruttore automatico principale è scattato. I dati di scatto sono utili perché, se uno scaricatore di sovratensione non funziona correttamente, una conseguenza comune è il frequente intervento degli interruttori automatici, poiché le sovratensioni non vengono limitate in modo efficace. Dopo aver raccolto queste informazioni generali, è possibile eseguire tre principali tipi di test elettrici: 

• Test di watt (perdita) utilizzando un'apparecchiatura di test del fattore di potenza
• Viene applicata una tensione di test standard di 2,5 kV o 10 kV e viene misurata la corrente risultante attraverso lo scaricatore. È preferibile utilizzare la tensione del test più elevata, a condizione che non superi la tensione di esercizio continua massima per lo scaricatore. Oltre alla corrente misurata, l'apparecchiatura di test fornisce automaticamente un valore di perdita in watt, il fattore di potenza e i valori di capacità. Si noti, però, che il fattore di potenza viene calcolato dividendo la perdita (in watt) per il prodotto della tensione del test e della corrente misurata. Poiché la corrente misurata è probabilmente molto piccola, una leggera variazione della corrente misurata comporterà una grande variazione del fattore di potenza calcolato. Per questo motivo, il fattore di potenza spesso non viene considerato un indicatore affidabile, se la corrente misurata è inferiore a 250 µA. In questi casi, lo scaricatore viene valutato solo sulla base della perdita di watt, poiché questo valore può essere misurato con precisione. Tuttavia, è necessario prestare attenzione per assicurarsi che la dispersione superficiale non sia inclusa nella corrente misurata.
• I test di watt vengono spesso eseguiti su scaricatori station­class contemporaneamente ai test del fattore di potenza sulle risorse che proteggono.
• Perdite superiori al normale possono essere dovute alla presenza di sporcizia o umidità sulla superficie interna ed esterna dell'alloggiamento dello scaricatore, incrinatura o rottura dell'alloggiamento, depositi di sale o contaminazione generale. Risultati dei test inferiori al previsto potrebbero essere dovuti a resistori shunt aperti o elementi difettosi. Si noti che i valori di perdita variano tra i diversi produttori e tra i diversi stili o classi di scaricatori.
• Test di risposta V-1 con apparecchiatura di prova Hi-Pot
• Il punto di interesse sulla curva V-1 è il knee point. Per indagare su questo problema, la tensione di test aumenta da zero al doppio della tensione nominale dello scaricatore (a volte di più), quindi torna a zero. La corrente attraverso lo scaricatore viene monitorata durante il test e un grafico della corrente rispetto alla tensione produce una curva V-1 che consente di determinare il knee point.
• Per gli scaricatori di alta tensione questo metodo non è praticabile a causa della necessità di tensioni di test molto elevate.
• Il guasto dello scaricatore durante un test di risposta V-I può causare un accumulo di gas all'interno dello scaricatore e una conseguente esplosione. Per questo motivo, è necessario adottare sempre misure di sicurezza appropriate prima di iniziare il test.
• Test della resistenza d'isolamento utilizzando un megaohmetro specializzato
• Questo test viene spesso utilizzato su
  scaricatori di bassa e media tensione ed è il test di verifica più semplice e rapido.
• Quando gli scaricatori si guastano, spesso lo fanno in modalità di corto circuito (o bassa resistenza) e questo può essere rilevato con un semplice test Megohm, utilizzando un'apparecchiatura di test della resistenza d'isolamento. L'apparecchiatura di test deve applicare almeno il 60% della tensione nominale dello scaricatore e la resistenza misurata deve essere confrontata con quella degli scaricatori simili. Un valore di resistenza inferiore al previsto indica un guasto dello scaricatore.
• È essenziale che il terminale di protezione dell'apparecchiatura di test venga utilizzato durante l'esecuzione di un test d'isolamento, altrimenti la dispersione superficiale potrebbe portare a risultati imprecisi (l'uso di un terminale di protezione viene discusso dettagliatamente più avanti in questo articolo).
• Analisi della terza armonica
• Questo test viene spesso eseguito dai produttori di scaricatori nell'ambito
  delle procedure di controllo qualità,
  ma è generalmente considerato troppo dispendioso in termini di tempo per il lavoro sul campo.
• Normalmente viene utilizzata una tensione di test da 10 kV
  a frequenza di alimentazione (50 o 60 Hz), e viene misurata la terza armonica della corrente resistiva. Per risultati accurati, è necessaria una corrente di circa 1 - 3 mA.
• Il test richiede in genere da 30 minuti a 1 ora per ogni scaricatore; ciò ne limita l'utilità sulle apparecchiature installate.

Test elettrici a confronto

Sul campo, un test di analisi della terza armonica può quantificare le condizioni dello scaricatore in termini di numero di elementi MOV ancora funzionanti, ma richiede più tempo rispetto a un test di perdita di watt. Il test di risposta V-1 è un modo eccellente per verificare le caratteristiche V-1 e dimostrare che lo scaricatore è ancora funzionante, ma può richiedere tensioni di test molto elevate (440 kV per uno scaricatore con tensione nominale di 220 kV, ad esempio). Ciò potrebbe non essere pratico e presenta importanti implicazioni di sicurezza. Il test di isolamento CC è un semplice test con esito positivo/negativo che produce risultati in soli 60 secondi, ma è adatto solo per scaricatori di bassa e media tensione.

Tuttavia, nelle applicazioni in cui è necessario esaminare un elevato numero di scaricatori, il test d'isolamento CC consente di risparmiare tempo e garantisce risultati affidabili.

In sintesi, il semplice test d'isolamento CC è solitamente il più adatto per gli scaricatori di bassa e media tensione, mentre il test di perdita di watt è spesso l'opzione più adatta per gli scaricatori di alta tensione e station-class.

Uso del terminale di protezione

Per ottenere risultati affidabili dai test d'isolamento CC e di watt (perdita), è essenziale tenere conto della dispersione superficiale. Si tratta della corrente che scorre attraverso il percorso di resistenza causato dalla contaminazione (sporcizia e umidità) sulla superficie esterna dello scaricatore che, durante il test, sarà in uno stato di alta resistenza, a meno che non sia difettoso, e pertanto si comporterà efficacemente come isolante. La dispersione superficiale viene spesso trascurata, ma è parte integrante della misurazione e può influire notevolmente sui risultati. Con uno scaricatore sporco, la corrente di dispersione superficiale durante un test può facilmente essere maggiore rispetto alla corrente che scorre attraverso lo scaricatore stesso.

Utilizzando il terminale di protezione, la corrente di dispersione superficiale può essere misurata automaticamente e rimossa dal risultato finale. Questo è importante quando si prevedono valori elevati di resistenza, come accade quando si testano componenti ad alta tensione, ad esempio gli scaricatori. Gli scaricatori tendono ad avere ampie superfici esposte alla contaminazione, con conseguenti dispersioni superficiali elevate.

La Figura 7 mostra come il percorso della corrente parallela, che scorre attraverso la superficie esterna di uno scaricatore, possa restituire una lettura di resistenza erroneamente bassa. In questo esempio, lo scaricatore ha una resistenza interna di 800 MΩ, ma è presente un percorso di dispersione esterno, con una resistenza di appena 4 MΩ in parallelo. Il valore misurato è quindi 3,98 MΩ, dando un'impressione completamente errata delle condizioni dello scaricatore.

Figure 8: Current flow when guard terminal is not used

Figura 9: Flusso di corrente quando viene utilizzato il terminale di protezione

Le figure 8 e 9 confrontano il flusso di corrente durante il test quando il terminale di protezione non è utilizzato rispetto a quando è utilizzato. Si può notare che il terminale di protezione devia efficacemente la corrente di dispersione superficiale dal circuito di prova, garantendo in tal modo che non influisca sul risultato del test.

Conclusioni e raccomandazioni

Gli scaricatori di sovratensioni e i parafulmini svolgono un ruolo essenziale negli impianti di alimentazione elettrica. Le ispezioni e i test vengono talvolta trascurati per favorire la verifica di risorse più costose, ma il loro corretto funzionamento è necessario per garantire l'affidabilità dell'alimentazione. Diverse società elettriche del Nord America hanno implementato con successo programmi di test della resistenza d'isolamento CC per gli scaricatori. Tutti gli scaricatori vengono testati al momento della consegna da parte dei produttori, quindi annualmente e, in aggiunta, dopo il verificarsi di guasti. Le società che hanno implementato questo programma traggono vantaggio dal miglioramento delle metriche relative ai tempi di inattività e alla qualità dell'energia, senza contare i risparmi aggiuntivi sui costi, grazie al fatto che scaricatori ancora pienamente funzionanti non vengono più sostituiti inutilmente. La morale è semplice: per risparmiare denaro e migliorare l'affidabilità del servizio, ispezionate e collaudate regolarmente gli scaricatori!

Bibliografia

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Scaricatori di sovratensione a ossido di metallo senza spazi vuoti per sistemi CA, IEC, 60099-4, 2014