Sovratensione: cosa si intende e quando si verifica

La sovratensione rappresenta un pericolo per tutte le apparecchiature elettriche ed elettroniche, capace di recare danni a sistemi ed apparecchiature con conseguenze devastanti. Nonostante l’elevata presenza e il potenziale di interruzione, la sovratensione rimane un concetto spesso frainteso o trascurato. Pertanto, sorge la necessità di approfondire la sua essenza, comprenderne le manifestazioni per capire come potersi difendere contro i suoi effetti dannosi. Per sovratensione si intende un picco di tensione che si verifica per eventi esterni all’impianto oppure interni all’impianto stesso.

In questo articolo affronteremo il fenomeno della sovratensione per fornire una comprensione completa delle sue origini ed implicazioni e delle contromisure efficaci contro questo fenomeno che minaccia la salvaguardia di impianti e circuiti.

Cosa si intende per sovratensione?

La sovratensione è una situazione in cui il livello di tensione in un sistema elettrico supera la tensione normale o nominale per quel sistema.

La sovratensione è rappresentata da una onda transitoria che si propaga lungo una linea o un circuito e caratterizzata da un rapido aumento seguito da una diminuzione più lenta. La sovratensione ha ampiezza molto elevata e durata breve. L’ampiezza della sovratensione può essere di diversi kV mentre la durata è nell’ordine dei µs.

La sovratensione può accadere a causa di vari fattori come:

1. Cause esterne (detta fulminazione diretta): i fulmini, ad esempio, possono indurre picchi di alta tensione nelle linee elettriche e nelle apparecchiature, portando a sovratensioni.
2. Cause interne (detta fulminazione indiretta): guasti all’interno dell’impianto elettrico, come cortocircuiti o guasti all’isolamento, possono interrompere il normale flusso di corrente e causare un aumento dei livelli di tensione al di sopra dell’intervallo previsto. Tra le cause interne si includono anche le variazioni improvvise delle condizioni di carico o delle operazioni di commutazione. Ad esempio, collegare o scollegare carichi di grandi dimensioni può causare uno squilibrio temporaneo nel sistema, con conseguenti picchi di tensione.

Le sovratensioni, se non gestite correttamente, possono danneggiare le apparecchiature elettriche e causare guasti all’isolamento, danni ai componenti o guasto completo del sistema.

Dispositivi di protezione come soppressori di sovratensioni, regolatori di tensione e interruttori automatici vengono spesso utilizzati per mitigare gli effetti delle sovratensioni e garantire il funzionamento sicuro dei sistemi elettrici.

Quando si verifica una sovratensione?

Le sovratensioni possono verificarsi negli impianti elettrici in varie condizioni. Alcuni scenari comuni in cui possono verificarsi sovratensioni includono:

1. Fulmini: i fulmini possono indurre picchi di alta tensione nelle linee elettriche e nelle apparecchiature, causando sovratensioni.
2. Operazioni di commutazione: quando interruttori, interruttori automatici o altri dispositivi di commutazione vengono aperti o chiusi nei circuiti elettrici, cambiamenti improvvisi nei livelli di tensione possono portare a sovratensioni transitorie.
3. Guasti nel sistema di alimentazione: guasti elettrici come cortocircuiti o guasti all’isolamento possono interrompere il normale flusso di corrente nel sistema, provocando sovratensioni in punti specifici della rete.
4. Risonanza: la risonanza può verificarsi nei sistemi di alimentazione a causa delle interazioni tra elementi induttivi e capacitivi. Quando la frequenza naturale del sistema corrisponde alla frequenza di un disturbo esterno, ciò può portare ad un’amplificazione delle tensioni in gioco e quindi a sovratensioni.
5. Cambiamenti di carico: cambiamenti improvvisi nelle condizioni di carico, come carichi di grandi dimensioni collegati o disconnessi dalla rete elettrica, possono causare sovratensioni a causa dello squilibrio tra tensione richiesta ed erogata.
6. Malfunzionamenti delle apparecchiature: i malfunzionamenti delle apparecchiature elettriche, come trasformatori, generatori o regolatori di tensione, possono provocare sovratensioni.
7. Commutazione di carichi capacitivi: l’accensione o lo spegnimento di carichi capacitivi può anche causare sovratensioni dovute alla carica o alla scarica dei condensatori.

Nel complesso, le sovratensioni possono verificarsi a causa di una combinazione di fattori esterni come i fulmini, nonché di fattori interni come operazioni di commutazione e guasti alle apparecchiature.

Quali sono gli effetti di una sovratensione?

Le sovratensioni possono avere diversi effetti dannosi su impianti e apparecchiature elettriche. Alcuni degli effetti comuni includono:

1. Danni alle apparecchiature: le sovratensioni possono causare danni alle apparecchiature elettriche come trasformatori, motori, dispositivi elettronici e altri componenti. Livelli di tensione eccessivi possono sollecitare i materiali isolanti, portando alla rottura dell’isolamento e al possibile guasto delle apparecchiature.
2. Durata ridotta delle apparecchiature: l’esposizione continua a sovratensioni può ridurre la vita attesa delle apparecchiature elettriche. I componenti possono degradarsi più rapidamente in condizioni di alta tensione, comportando un aumento dei costi di manutenzione e la necessità di una sostituzione prematura.
3. Perdita o danneggiamento dei dati: le sovratensioni possono interrompere il funzionamento dei dispositivi elettronici, causando la perdita o il danneggiamento dei dati nei sistemi informatici, nei server e in altre apparecchiature digitali. Ciò può comportare interruzioni operative e potenziali rischi per la sicurezza.
4. Pericolo di incendio: le sovratensioni possono causare il surriscaldamento dei componenti elettrici e dei cavi, aumentando il rischio di incendi elettrici. Livelli di tensione eccessivi possono causare guasti all’isolamento, archi elettrici e scintille, che possono incendiare i materiali circostanti e causare notevoli danni materiali o lesioni personali.
5. Rischi per la sicurezza: le sovratensioni possono comportare rischi per la sicurezza del personale che lavora con o vicino ad apparecchiature elettriche. Se non vengono prese le dovute precauzioni per mitigare gli effetti delle sovratensioni, possono verificarsi scosse elettriche, ustioni e altre lesioni.
6. Problemi di qualità dell’alimentazione: le sovratensioni possono degradare la qualità dell’energia elettrica fornita ad apparecchiature sensibili. Le fluttuazioni dei livelli di tensione possono causare abbassamenti, sbalzi e armoniche, con conseguenti problemi di prestazioni, malfunzionamenti o guasti nei dispositivi collegati.
7. Interruzione delle operazioni: le sovratensioni possono interrompere il normale funzionamento dei sistemi elettrici, causando tempi di inattività, perdite di produzione e disagi per aziende e consumatori.

Nel complesso, le sovratensioni possono avere significative implicazioni economiche, operative e di sicurezza per i sistemi elettrici e gli utenti.

Sovratensione causata da fulmine

La sovratensione causata da un fulmine si verifica quando un fulmine porta un picco di tensione sulla linea di distribuzione elettrica che arriva infine nei sistemi e nelle apparecchiature elettriche. I fulmini, anche se non colpiscono direttamente la linea di distribuzione ma colpiscono vicino la linea, con la loro immensa energia, possono generare potenti campi elettromagnetici che inducono tensioni transitorie nei conduttori vicini, comprese le linee elettriche, i cavi di comunicazione e i cavi elettrici.

Quando si verifica un fulmine vicino a linee elettriche o infrastrutture elettriche, gli intensi campi elettromagnetici associati alla scarica del fulmine inducono picchi di tensione nei conduttori vicini. Queste tensioni indotte si propagano attraverso la rete elettrica, entrando negli edifici e nelle apparecchiature collegate alla rete elettrica.

Il rapido aumento e diminuzione di questa sovratensione provocata dai fulmini può superare i normali livelli di tensione operativa dei sistemi elettrici. Queste sovratensioni possono stressare i materiali isolanti e causare danni ai componenti elettronici sensibili.

Le sovratensioni provocate dai fulmini possono manifestarsi in vari modi, a seconda di fattori quali la vicinanza del fulmine, l’intensità dei campi elettromagnetici e le caratteristiche dell’impianto elettrico. Potrebbero causare guasti all’isolamento, malfunzionamento delle apparecchiature, perdita di dati e persino incendi in casi estremi.

Forme d’onda della fulminazione

La fulminazione, diretta od indiretta, viene rappresentata tramite delle forme d’onda che hanno delle caratteristiche ben precise. Il modello tipicamente utilizzato per rappresentare matematicamente il fenomeno elettrico dovuto alla fulminazione è la funzione di Heidler. Questo modello matematico è utilizzato per verificare la tenuta di apparecchiature e dispositivi agli impulsi detti surge. Tutti le apparecchiature elettriche, infatti, per poter essere immesse sul mercato, devono essere adeguate ai requisiti della compatibilità elettromagnetica. Tra tali requisiti vi è un test denominato “prova di surge” in cui si verifica che l’apparecchiatura sia in grado di sostenere, senza danneggiarsi, un eventuale impulso dovuto, ad esempio, a fulminazione. Per provare l’immunità di una apparecchiatura a tale disturbo, viene applicato, tramite un apposito generatore, un impulso di corrente sull’alimentazione. La forma d’onda di tale impulso di corrente è la funzione di Heidler, ed è data dalla seguente equazione:

   

dove

i_surge : corrente di fulmine

I_peak : corrente di picco della corrente di fulmine

𝜏₁ : tempo del fronte pari a 1,25 volte il tempo per passare dal 10% al 90% del valore di picco della corrente

𝜏₂ : tempo dell’emivalore pari al tempo tra l’origine dell’impulso e l’instante in cui la corrente è tornata al 50% del valore di picco

k, η : coefficienti di correzione della forma d’onda

Tipicamente si considera che la fulminazione diretta porti ad un primo impulso positivo con forma d’onda 10/350 µs (oppure un primo impulso negativo con forma d’onda 1/200 µs) seguito da impulsi negativi con forma d’onda 0,25/100 µs. La fulminazione indiretta, ovvero quella che può verificarsi nel caso di commutazione di grandi carichi o eventi similari, è invece rappresentata con forma d’onda 8/120 µs.

Una forma d’onda 10/350 µs è rappresentata dalla funzione di Heidler con parametri 𝜏₁ (tempo di fronte) pari a 10 µs e 𝜏₂ (tempo dell’emivalore) pari a 350 µs. Nella figura seguente si può notare l’andamento di tale curva.

Una forma d’onda 8/20 µs è rappresentata dalla funzione di Heidler con parametri 𝜏₁ (tempo di fronte) pari a 8 µs e 𝜏₂ (tempo dell’emivalore) pari a 20 µs. Nella figura seguente si può notare l’andamento di tale curva.

La forma d’onda 8/20 µs è utilizzata per rappresentare gli impulsi dovuti a fulminazione indiretta che sono impulsi ad energia inferiore rispetto a quelli rappresentati con la forma d’onda 10/350 µs.

Nell’immagine sopra vediamo l’andamento delle forme d’onda 10/350 µs e 8/20 µs poste sulla stessa scala di riferimento. Da questo confronto è possibile notare come la forma d’onda 10/350 µs abbia una ampiezza di molto superiore rispetto alla forma d’onda 8/20 µs ed un decadimento più lento. Considerando che l’energia della forma d’onda è rappresentata dall’area sottesa dalla curva, è evidente come la forma d’onda 10/350 µs abbia una energia superiore rispetto alla forma d’onda 8/20 µs ed infatti viene utilizzata per simulare l’azione di una fulminazione che colpisce direttamente le linee di distribuzione elettrica.

Come proteggersi da una sovratensione?

La protezione dei sistemi e delle apparecchiature elettriche dalle sovratensioni richiede l’implementazione di una combinazione di misure preventive e dispositivi di protezione. Ecco alcuni metodi comuni per proteggersi dalle sovratensioni:

1. Limitatori di sovratensione: i limitatori di sovratensione, noti anche come soppressori di sovratensione, sono dispositivi progettati per deviare la tensione in eccesso lontano dalle apparecchiature sensibili. Vengono collegati a monte dell’alimentazione di un dispositivo o impianto e forniscono protezione ai dispositivi collegati bloccando i picchi di tensione e deviando l’energia in eccesso a terra.
2. Stabilizzatori di tensione: gli stabilizzatori di tensione aiutano a mantenere livelli di tensione stabili entro un intervallo predefinito, proteggendo le apparecchiature sia da sovratensioni che da sottotensioni. Gli stabilizzatori di tensione sono esempi di dispositivi in ​​grado di regolare i livelli di tensione per garantire un’alimentazione coerente alle apparecchiature collegate.
3. Trasformatori di isolamento: i trasformatori di isolamento forniscono isolamento elettrico tra i lati di ingresso e di uscita, contribuendo a proteggere le apparecchiature dai transitori di tensione e dal rumore elettrico. Possono anche mitigare gli effetti dei guasti a terra e ridurre il rischio di scosse elettriche.
4. Messa a terra e collegamento equipotenziale: una messa a terra e un collegamento equipotenziale adeguati dei sistemi elettrici sono essenziali per dissipare la tensione in eccesso e garantire la sicurezza elettrica. Le aste di messa a terra ed i conduttori di messa a terra aiutano a stabilire percorsi a bassa resistenza verso terra, riducendo il rischio di sovratensioni e rischi elettrici.
5. Interruttori automatici e fusibili: gli interruttori automatici e i fusibili fungono da dispositivi di protezione interrompendo il flusso di corrente in caso di condizioni di sovracorrente, che possono essere causate da sovratensioni. Aiutano a prevenire danni alle apparecchiature elettriche e al cablaggio scollegando il circuito quando vengono rilevate condizioni anomale.

La protezione dalle sovratensioni causate dai fulmini richiede l’implementazione di solide strategie di mitigazione, inclusa l’installazione di dispositivi di protezione da sovratensione, parafulmini e adeguati sistemi di messa a terra. Dissipando l’energia in eccesso e deviando le sovratensioni indotte dai fulmini lontano dalle apparecchiature sensibili, queste misure di protezione aiutano a mitigare i rischi associati alle sovratensioni indotte dai fulmini e garantiscono l’affidabilità e la sicurezza dei sistemi elettrici.

Incorporando queste misure e dispositivi di protezione nei sistemi elettrici, è possibile ridurre al minimo il rischio di danni da sovratensioni e garantire il funzionamento sicuro e affidabile delle apparecchiature.