Scaricatore di sovratensione (SPD): cos’è e a cosa serve

La necessità di proteggere i nostri dispositivi elettrici ed elettronici dalle sovratensioni è un aspetto critico. Dai temporali alle fluttuazioni della rete elettrica, i picchi di corrente rappresentano una minaccia costante per l’integrità dei nostri dispositivi. In questo ambito entrano in gioco i dispositivi di protezione come lo scaricatore di sovratensione (SPD).

In questo articolo affrontiamo l’argomento degli scaricatore di sovratensione per comprendere cosa è, come funziona ed il suo ruolo nella salvaguardia dei nostri dispositivi. Comprendere gli SPD è essenziale per garantire la longevità e l’affidabilità dell’infrastruttura elettrica ed assicurarne la continuità di servizio.

Scaricatore di sovratensione cos’è

Lo scaricatore di sovratensione (Surge Protection Device – SPD) è un dispositivo di protezione contro gli impulsi di tensione (Surge). Tali impulsi di tensione possono riscontrarsi a causa di eventi atmosferici o disturbi transitori provenienti dalla rete elettrica.

Lo scaricatore di tensione è posto generalmente a monte di un impianto, di una sua porzione oppure a monte di un dispositivo elettrico. In presenza di un impulso di tensione, lo scaricatore di sovratensione è in grado di assorbire e deviare il picco di tensione in ingresso. Questo permette di evitare che l’impulso raggiunga e potenzialmente vada a danneggiare dispositivi elettrici e, in particolare, quelli elettronici. Data l’altissima presenza e la crescente diffusione dell’elettronica, lo scaricatore di sovratensione permette di avere un unico dispositivo che protegge dal danno le apparecchiature elettroniche preservandone quindi la funzionalità e la continuità di servizio.

Lo scaricatore di sovratensione (SPD), chiamato anche soppressore di sovratensioni, è un dispositivo elettrico progettato per proteggere le apparecchiature collegate da picchi di tensione o sovratensioni di energia elettrica. Queste sovratensioni possono verificarsi per vari motivi, come fulmini, fluttuazioni della rete elettrica o operazioni di commutazione negli impianti elettrici. Reagendo rapidamente agli aumenti improvvisi di tensione, gli SPD aiutano a mantenere un ambiente elettrico sicuro e stabile per i dispositivi collegati.

Gli SPD tipicamente funzionano assorbendo la tensione in eccesso o reindirizzandola in modo sicuro a terra, a seconda del loro design e configurazione. Vengono installati nel punto di ingresso dell’energia elettrica in un edificio o direttamente sulle prese di corrente per fornire una protezione localizzata.

Gli SPD svolgono un ruolo cruciale nella salvaguardia di dispositivi elettronici (computer, elettrodomestici, macchinari industriali, apparecchiature di telecomunicazione,…) dagli effetti dannosi delle sovratensioni, garantendo un funzionamento affidabile e prolungando la durata di vita di preziose risorse elettroniche.

Scaricatore di sovratensione a cosa serve

Un dispositivo di protezione da sovratensione (SPD), noto anche come soppressore di sovratensione o scaricatore di sovratensione, è un dispositivo progettato per proteggere le apparecchiature elettriche ed elettroniche da picchi di tensione o sovratensioni di energia elettrica. Queste sovratensioni possono verificarsi per vari motivi, come fulmini, fluttuazioni della rete elettrica o operazioni di commutazione negli impianti elettrici.

Lo scopo principale di un SPD è deviare la tensione in eccesso lontano dalle apparecchiature sensibili, prevenendo danni o interruzioni causate da picchi di tensione transitori. Reagendo rapidamente agli aumenti improvvisi di tensione, gli SPD aiutano a mantenere un ambiente elettrico sicuro e stabile per i dispositivi collegati, garantendone il funzionamento affidabile e prolungandone la durata.

Scaricatore di sovratensione come funziona

Lo scaricatore di tensione svolge due funzioni:

1. limita l’ampiezza dell’impulso di tensione in ingresso ad una tensione accettabile per il carico
2. scarica verso terra la sovracorrente associata all’impulso di tensione.

Lo scaricatore di sovratensione (SPD) funziona rilevando e deviando la tensione in eccesso lontano dalle apparecchiature elettriche ed elettroniche sensibili, prevenendo così i danni causati da picchi di tensione transitori.

Durante il funzionamento normale, lo scaricatore funziona come un circuito aperto, ovvero è totalmente trasparente al passaggio di tensione. Questo perché in condizioni normali lo scaricatore mostra una impedenza altissima.

Quando la linea di alimentazione è attraversata da una sovratensione, lo scaricatore si chiude assorbendo il picco di tensione e lasciando passare al carico una tensione ridotta, generalmente dell’ordine di 1,5 kV.

Ecco una spiegazione semplificata di come funzionano gli SPD:

1. Rilevamento: gli SPD monitorano continuamente il livello di tensione dell’alimentazione elettrica. Quando rilevano un picco o un picco di tensione superiore a una determinata soglia, si attivano.
2. Diversione: una volta attivati, gli SPD forniscono un percorso a bassa impedenza per consentire alla tensione in eccesso di fluire lontano dalle apparecchiature collegate. Ciò si ottiene generalmente utilizzando componenti come varistori a ossido di metallo (Metal Oxide Varistor – MOV), tubi a scarica di gas (Gas Discharge Tube – GDT) o diodi a valanga (Silicon Avalanche Diode – SAD).
3. Assorbimento o messa a terra: la tensione in eccesso viene assorbita dai componenti dell’SPD o reindirizzata in modo sicuro verso terra, a seconda della tipologia di scaricatore.
4. Protezione: deviando o assorbendo la tensione in eccesso, gli SPD aiutano a mantenere un livello di tensione sicuro e stabile all’interno dell’impianto elettrico, proteggendo le apparecchiature collegate da eventuali danni.
5. Recupero: una volta superato il picco, gli SPD ritornano al loro stato normale e sono pronti a rilevare e rispondere a eventuali picchi futuri.

Nel complesso, gli SPD agiscono come una barriera tra l’alimentazione elettrica e le apparecchiature collegate, garantendo che solo livelli di tensione sicuri raggiungano i dispositivi sensibili, salvaguardandoli così da potenziali danni o malfunzionamenti causati da picchi di tensione.

Scaricatore di sovratensione di Tipo 1, Tipo 2, Tipo 3

Esistono 3 tipi di scaricatore di tensione (SPD) e sono il Tipo 1, il Tipo 2 ed il Tipo 3. Ciascun tipo è progettato per applicazioni e livelli di protezione specifici ed è quindi testato per poter sostenere una forma d’onda di tensione che simula l’impulso di una sovratensione. Le forme d’onda considerate, in ordine di energia associata sono l’onda 10/350 µs e l’onda 8/20 µs, dove il primo numero indica il tempo di salita mentre il secondo il tempo all’emivalore.

Nella tabella seguente vediamo le caratteristiche principali e la destinazione d’uso per ciascun tipo di scaricatore di sovratensione.

	Forma d'onda di prova	Luogo di installazione	Tipologia di sovratenzione
Tipo 1	10/350 μs	Quadro principale	Diretta
Tipo 2	8/20 μs	Quadro secondario	Indiretta
Tipo 3	Combinata 10/350 μs + 8/20 μs	Prese	Indiretta

Ecco i tipi di scaricatore di tensione:

Scaricatore di tensione di Tipo 1 (o Classe I):

• Questi SPD sono generalmente installati sul quadro elettrico principale o sul quadro di distribuzione, fornendo protezione contro i fulmini diretti e le grandi sovratensioni che entrano nell’edificio.
• Sono progettati per gestire sovratensioni ad alta energia e sono spesso utilizzati insieme ad altri tipi di SPD per una protezione completa.

Scaricatore di tensione di Tipo 2 (o Classe II):

• Gli SPD di Tipo 2 sono installati sui quadri di distribuzione secondaria o direttamente sulle apparecchiature elettriche per fornire protezione contro sovratensioni moderate derivanti da fulmini indiretti e operazioni di commutazione all’interno dell’impianto elettrico.
• Offrono un livello di protezione secondario e sono comunemente utilizzati in combinazione con gli SPD di Tipo 1 per garantire una protezione a più livelli.

Scaricatore di tensione di Tipo 3 (o Classe III):

• Questi SPD sono installati nel punto di utilizzo, come singole prese o apparecchiature, per fornire protezione localizzata contro transitori e sovratensioni di basso livello.
• Gli SPD di tipo 3 offrono protezione per dispositivi elettronici sensibili e sono spesso integrati in prese multiple, dispositivi di protezione da sovratensione o come moduli plug-in autonomi.

Scaricatore di tensione di tipo combinato:

• Alcuni SPD sono progettati per fornire più livelli di protezione in un unico dispositivo, combinando le caratteristiche degli SPD di Tipo 1, Tipo 2 e/o Tipo 3.
• Questi SPD combinati offrono una protezione completa contro un’ampia gamma di eventi di tensione transitoria e sono spesso utilizzati in installazioni elettriche critiche.

È essenziale selezionare il tipo appropriato di SPD in base all’applicazione specifica, al livello di protezione richiesto e ai codici e agli standard elettrici locali. Inoltre, gli SPD devono essere installati da personale qualificato seguendo le linee guida del produttore e le normative applicabili per garantire un funzionamento e una sicurezza efficaci.

Parametri dello scaricatore di sovratensione

Lo scaricatore di sovratensione (SPD) è caratterizzato da vari parametri che ne definiscono le prestazioni, le capacità e la compatibilità con diversi sistemi elettrici. I principali parametri di uno scaricatore di sovratensione sono:

1. Numero di porte
   • Scaricatore di sovratensione ad una porta: scaricatore senza impedenza in serie, generalmente con connessioni di entrata ed uscita non separate.
   • Scaricatore di sovratensione a due porte: scaricatore con connessioni in entrata separate dalle connessioni in uscita ed in serie con una impedenza specifica posta tra le connessioni.
2. Tipologia di innesco
   • Scaricatore di sovratensione con intervento ad innesco: scaricatore che presenta una alta impedenza che in caso di sovratensione diminuisce rapidamente in valore. Lo scaricatore di sovratensione con intervento ad innesco è detto anche “scaricatore crowbar”. Tipicamente realizzati tramite spinterometri a gas o tiristori.
   • Scaricatore di sovratensione con intervento a limitazione: scaricatore che presenta una alta impedenza che in caso di sovratensione diminuisce con continuità all’aumentare della tensione. Lo scaricatore di sovratensione con intervento a limitazione è detto anche “scaricatore clamping”. Tipicamente realizzati tramite varistori o diodi a valanga.
   • Scaricatore di sovratensione combinato: scaricatore che incorpora componenti che permetto sia l’intervento ad innesco che l’intervento a limitazione.
3. Tensione massima continuativa U_c: è il valore massimo di tensione che lo scaricatore di sovratensione è in grado di sostenere in maniera continuativa e senza danneggiarsi. Tale valore si riferisce a tensione continua oppure in valore efficace.
4. Livello di protezione di tensione U_P: è il valore massimo di tensione che lo scaricatore è in grado di limitare in presenza di una sollecitazione impulsiva. È sempre inferiore al valore di tensione che si misura ai morsetti di ingresso in presenza della corrente I_imp (per lo scaricatore di Tipo 1) oppure della corrente I_n (per lo scaricatore di Tipo 2) oppure inferiore ad U_oc (per lo scaricatore di Tipo 3).
5. Corrente nominale di carico I_L: è il valore massimo di corrente, in valore efficace, che può essere applicato al carico.
6. Corrente impulsiva di scarica I_imp (SPD di Tipo 1): parametro specifico per lo scaricatore di sovratensione di tipo 1. La corrente impulsiva di scarica è il valore di picco della corrente di scarica che attraversa lo scaricatore in un determinato intervallo di tempo.
7. Corrente nominale di scarica I_n: (SPD di Tipo 2): parametro specifico per lo scaricatore di sovratensione di tipo 2. La corrente nominale di scarica è il valore di picco della corrente che attraversa lo scaricatore quanto tale corrente ha una forma d’onda del tipo 8/20 µs, ovvero con tempo di salita di 8 µs e tempo all’emivalore di 20 µs.
8. Tensione a circuito aperto U_oc (SPD di Tipo 3): parametro specifico per lo scaricatore di sovratensione di tipo 3. La tensione massima che lo scaricatore è in grado di sostenere prima di intervenire. Tale tensione viene misurata a circuito aperto tramite un generatore d’onda combinata sul punto di connessione del dispositivo. Una onda combinata è un’onda con particolari caratteristiche di quali l’ampiezza della tensione (Uoc), l’ampiezza della corrente di cortociruito e forma d’onda in condizioni di circuito aperto e di cortocircuito. Queste caratteristiche dell’onda dipendono dall’impedenza del generatore e dall’impedenza dello scaricatore di sovratensione.
9. Modo di protezione: il percorso attraverso cui è previsto che scorra la corrente tra i terminali dotati di protezione ovvero tra le fasi, tra fase e neutro, tra fase e terra. Sono tipicamente raggruppati in modi di protezione “comuni” e “differenziali”.
   • Modo comune: protezione tra i conduttori attivi e la terra.
   • Modo differenziale: protezione tra conduttori attivi (ovvero tra le fasi oppure tra fase e neutro).
10. Tipologia di installazione prevista
    • Installazione all’interno: scaricatore fornito con involucro oppure previsto per essere installato all’interno di un involucro o di un riparo. È la tipologia di scaricatore più diffusa in quanto tipica delle installazione negli edifici.
    • Installazione all’esterno: scaricatore fornito senza involucro oppure previsto per essere installato senza involucro o riparo. Una applicazione tipica è quella sulle linee aeree a bassa tensione.
11. Tipologia di montaggio
    • Fisso: scaricatore destinato ad essere installato permanentemente a servizio di un impianto o di un circuito. Installazione tipica in impianti elettrici oppure macchinari.
    • Portatile: scaricatore amovibile destinato ad essere facilmente rimosso per poter essere installato a protezione di un altro circuito o dispositivo. Installazione tipica in ambienti residenziali dove il dispositivo è inserito su una presa a protezione di un carico come ad esempio un computer oppure un elettrodomestico.
12. Collocazione del dispositivo di distacco: indica la posizione dell’eventuale sezionatore di cui è dotato lo scaricatore di tensione. Il dispositivo di distacco può trovarsi all’interno, all’esterno dello scaricatore oppure avere sia una parte interna che una parte esterna.
13. Tipologia di funzione di protezione: lo scaricatore può essere a sua volta dotato di funzioni integrate a protezione dell’SPD che in caso di detezione di un evento pericoloso per l’integrità del dispositivo, lo sezionano automaticamente dall’alimentazione. Tali funzioni di protezione sono la protezione termica (contro il surriscaldamento dovuto ad esempio agli effetti di degrado dello scaricatore), la protezione dalle correnti di fuga (ovvero le correnti di dispersione che possono scorrere su conduttori che non hanno funzione specifica di condurre corrente, ad esempio il conduttore di terra), la protezione dalla sovracorrente (ad esempio in presenza di livelli di corrente oltre quelli definiti dal fabbricante).

Marcature e simboli presenti sullo scaricatore di sovratensione

Sull’involucro dello scaricatore di sovratensione (esclusi quindi quelli destinati alle linee aeree) sono sempre riportati almeno il nome o marchio del fabbricante ed il numero o codice del modello. Le altre marcature obbligatorie, quando non presenti sull’involucro, sono poste nelle istruzioni d’uso.

Le marcature minime, descrittive delle caratteristiche dello scaricatore, che troviamo su involucro o istruzioni d’uso sono:

1. Nome del fabbricante
2. Nome o codice del modello di dispositivo
3. Tipo di corrente: simbolo della corrente alternata (~) oppure “c.a.” e valore della frequenza in Hz.
4. Tensione massima continuativa U_c (per ogni modo di protezione)
5. Tipo di scaricatore di sovratensione e parametri di scarica (per ogni modo di protezione)
   • Nello scaricatore di sovratensione di Tipo 1 troviamo l’indicazione “Tipo 1” oppure il simbolo seguito da “I_imp” e il relativo valore in kA.
   • Nello scaricatore di sovratensione di Tipo 2 troviamo l’indicazione “Tipo 2” oppure il simbolo seguito da “I_n” e il relativo valore in kA.
   • Nello scaricatore di sovratensione di Tipo 3 troviamo l’indicazione “Tipo 3” oppure il simbolo seguito da “U_oc” e il relativo valore in kA.
6. Livello di protezione di tensione U_p
7. Grado di protezione IP dell’involucro: se non è presente significa la protezione è al massimo IP20.
8. Identificazione dei terminali
9. Corrente nominale di carico I_L

Comprendere questi parametri è essenziale per selezionare l’SPD appropriato per applicazioni specifiche e garantire una protezione efficace contro le sovratensioni transitorie nei sistemi elettrici.

Quando interviene lo scaricatore di sovratensione?

Lo scaricatore di sovratensione (SPD) interviene quando rileva una sovratensione o un picco di tensione che supera un determinato livello di soglia. Gli SPD sono progettati per rispondere rapidamente ad eventi di tensione transitoria per deviare o sopprimere la tensione in eccesso, proteggendo così le apparecchiature collegate da eventuali danni.

Gli SPD tipicamente intervengono nei seguenti scenari:

1. Sovratensione transitoria: quando si verifica un improvviso aumento di tensione nel sistema elettrico, ad esempio a causa di fulmini, disturbi della rete elettrica o operazioni di commutazione, gli SPD rilevano la sovratensione e avviano misure protettive.
2. Picco di tensione: gli SPD rispondono anche a picchi di tensione di breve durata causati da fattori interni o esterni all’impianto elettrico. Questi picchi possono derivare da eventi come l’avvio del motore, la commutazione dei condensatori o disturbi elettrici nelle vicinanze.

Nel complesso, gli SPD svolgono un ruolo proattivo nella protezione delle apparecchiature elettriche ed elettroniche, intervenendo ogni volta che esiste una minaccia di sovratensioni o picchi di tensione, garantendo così la sicurezza e l’affidabilità dei dispositivi collegati.