ITTO20100626A1 - Dispositivo limitatore di sovratensione. - Google Patents

Description

Dispositivo limitatore di sovratensione

Surge protective device

DESCRIZIONE

L’invenzione concerne un dispositivo limitatore di sovratensione.

Si definisce sovratensione una tensione che supera il valore di picco della massima tensione in regime permanente, presente in un impianto nelle condizioni ordinarie di funzionamento.

Le sovratensioni rappresentano la principale causa di guasto delle apparecchiature elettriche ed elettroniche, in particolare quelle finali, nonché di interruzione dell’attività produttiva.

Le sovratensioni peggiori dal punto di vista energetico, in grado di determinare i danni più rilevanti, sono quelle che si stabiliscono verso terra a causa dei fulmini e vengono denominate sovratensioni di modo comune, per distinguerle da quelle che si manifestano tra due o più conduttori attivi, che vengono invece denominate sovratensioni differenziali.

Le sovratensioni di modo comune rappresentano generalmente la vera minaccia per un dispositivo elettronico sensibile e non sensibile, in quanto più probabili ed energiche. Casi tipici sono dati dall’innalzamento del potenziale di terra provocato dalla caduta di un fulmine oppure all’intervento di dispositivi limitatori di sovratensione in altri impianti che si trovano nelle vicinanze.

Per evitare i rischi suddetti gli impianti elettrici vengono equipaggiati con dispositivi limitatori di sovratensione, noti anche come SPD (“Surge Protective Devices†).

Secondo tecnica nota, la protezione di un edifico contro le sovratensioni di origine atmosferica avviene generalmente tramite l’installazione di un parafulmine e un certo numero di SPD coordinati fra loro, oppure, tramite la sola introduzione nel sistema elettrico di SPD fra loro coordinati.

A seconda della funzione svolta, gli SPD si distinguono in classe di prova I, II e III. Gli SPD classe di prova I scaricano la corrente di fulmine, quelli classe di prova II eliminano le sovratensioni generate dal fulmine deviando la corrente, e quelli classe di prova III proteggono gli apparecchi collegati all’impianto elettrico dalle sovratensioni generate per accoppiamento induttivo.

L’intervento combinato di diversi dispositivi di protezione da sovratensione garantisce che venga raggiunto il livello di protezione più basso ammissibile per l’apparecchio finale da proteggere.

In generale gli SPD classe di prova I sono prescritti dalle normative quando à ̈ necessario ridurre il rischio di incendi, oppure di sovratensioni sugli impianti interni ed esterni agli edifici, per fulminazione diretta. Gli SPD classe di prova II sono invece richiesti per la riduzione del rischio di danni provocati da fulminazione indiretta per conduzione, irraggiamento o innalzamento del potenziale di terra, oppure per fulminazione indiretta della linea di alimentazione dell'edificio; inoltre anche le sovratensioni generate da manovre di commutazione di carichi induttivi (trasformatori, motori, ecc...) possono essere limitate da SPD classe di prova II.

Secondo la prassi attuale, all’inizio della linea, dopo il contatore elettrico, viene installato un SPD classe di prova I, quindi ad almeno 10 m di distanza un SPD classe di prova II e in prossimità delle apparecchiature finali un SPD classe di prova III, generalmente uno per ciascuna apparecchiatura in modo da ridurre la distanza fra SPD e carico protetto.

Inoltre à ̈ preferibile installare un SPD classe di prova I, un’induttanza di disaccoppiamento e un SPD classe di prova II, nello stesso quadro elettrico, disponendo i dispositivi SPD molto vicini fra loro, preferibilmente a stretto contatto fra loro. Questo perché l’induttanza inserita fra i dispositivi SPD simula la presenza dell’induttanza parassita determinata dai cavi dell’impianto elettrico.

La tecnica attuale permette, fino ad un certo valore di corrente di fulmine, di compattare in un unico apparato un SPD classe di prova I e un SPD classe di prova II, senza l’ausilio di induttanze.

L’SPD classe di prova II non à ̈ in grado di proteggere tutto ciò che sta a valle nell’impianto elettrico, ma protegge solo fino ad una certa distanza, variabile in funzione della tensione Up dell’SPD e della tensione Uw dei dispositivi ad esso collegati. L’Up à ̈ quel valore di tensione che si presenta in uscita ai capi dell’SPD durante il suo intervento. La Uw à ̈ il valore di tenuta all’impulso dei dispositivi collegati, che per quelli cosiddetti “sensibili†à ̈ generalmente pari a 1500 V (garantiti dal costruttore).

L’installazione di SPD classe di prova III à ̈ necessaria quando un’apparecchiatura à ̈ collegata all’impianto ad una distanza superiore rispetto a quella protetta.

E’ noto infatti che fenomeni oscillatori che si innescano lungo i conduttori a valle dell’SPD classe di prova II possono determinare il raddoppio della tensione ai capi dell’apparecchiatura da proteggere. Un valore tipico di Up di un buon SPD à ̈ pari a 1,5 kV, e pertanto per la ragione suddetta può determinare una tensione di 3 kV ai capi dell’apparecchiatura da proteggere.

E’ evidente inoltre che occorrerà generalmente prevedere un SPD classe di prova III per ciascun carico associato all’impianto, con conseguente notevole aumento dei costi di realizzazione.

US 2009/0073618 descrive un dispositivo limitatore di sovratensione comprendente due varistori e due induttanze, in cui non à ̈ previsto un collegamento a terra e in cui l’induttanza posta in serie serve per creare un’oscillazione quando la tensione di rete à ̈ interessata da una sovratensione. In questo documento, si trascurano le sovratensioni di modo comune, non essendo contemplato un collegamento a terra. Il circuito proposto nel suddetto documento à ̈ quindi un SPD classe di prova III che protegge le apparecchiature solo dalle sovratensioni di modo differenziale, e non protegge le apparecchiature dalle sovratensioni di modo comune (Fase-Terra o Neutro-Terra).

Scopo dell’invenzione à ̈ risolvere il problema di come proteggere le apparecchiature elettriche collegate all’impianto protetto dal dispositivo limitatore di sovratensione e che si trovano a qualunque distanza dal detto dispositivo.

Uno scopo ulteriore dell’invenzione à ̈ quello di provvedere un dispositivo limitatore di sovratensione che possa essere ottenuto a costi competitivi e si presti pertanto ad essere realizzato industrialmente su larga scala.

Questi ed altri scopi sono raggiunti con il dispositivo limitatore di sovratensione, come rivendicato nelle unite rivendicazioni.

L’invenzione prevede tre varistori, uno spinterometro o scaricatore di sovratensione GDT e due induttanze calibrate sui fenomeni interessati.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione à ̈ previsto un primo stadio di protezione in cui sono previsti due varistori che si incontrano in un punto in comune, dal quale vanno a terra attraverso un GDT definendo nel complesso un collegamento ad “Y†. Sempre secondo l’invenzione à ̈ previsto un secondo stadio di protezione in cui à ̈ previsto un varistore ed i due stadi sono disaccoppiati mediante l’interposizione di induttanze calibrate.

Vantaggiosamente, il dispositivo secondo l’invenzione consente di mantenere la condizione Up/f ≤ Uw/2, dove:

Up/f à ̈ il valore della tensione misurata tra i conduttori dell’impianto BT (Bassa Tensione ossia tensione nominale tra le fasi elettriche uguale o inferiore a 1kV) e la barra equipotenziale EBB (“Equipotential Bondig Bar†), in presenza del dispositivo limitatore, durante il suo intervento; e Uw à ̈ il valore di tenuta all’impulso di un’apparecchiatura che deve essere dichiarato dal costruttore della stessa.

Essendo rispettata la regola sopra, la distanza dell’SPD dall’apparecchiatura da proteggere non à ̈ più importante perché i fenomeni di oscillazione che possono far raddoppiare, nei casi peggiori, la Up, al massimo riportano tale valore alla Uw del dispositivo, che quindi risulta essere protetto per costruzione.

Dato che le apparecchiature elettroniche di consumo, quali pc, tv, hi-fi, devono avere una Uw almeno pari a 1500 V, il dispositivo limitatore dovrà avere una Up < 750 V.

Secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione il varistore e l’induttanza sono dimensionati in modo da avere una Up < 750 V quando in ingresso al dispositivo si presenta una sovratensione con valore fino a circa 10 kV, dove per Up deve intendersi il valore di sovratensione massima nella sezione di uscita del dispositivo.

Vantaggiosamente, il dispositivo secondo l’invenzione à ̈ atto a proteggere non solo le apparecchiature elettriche sensibili collegate immediatamente a valle del dispositivo, ma sostanzialmente a qualsiasi distanza da esso.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione in un unico dispositivo sono sostanzialmente incorporati un SPD classe di prova II ed un SPD classe di prova III, disaccoppiati per mezzo di induttanze, ottenendo così nel complesso un SPD classe II III. Il dispositivo secondo l’invenzione durante l’intervento a causa di una sovratensione avrà pertanto una tensione residua in uscita Up, sia di modo comune che di modo differenziale, così bassa, che se anche entrano in gioco fenomeni di riflessione delle onde, le apparecchiature da proteggere a valle del dispositivo non saranno mai esposte a più di 1500 V.

Il dispositivo secondo l’invenzione può essere utilizzato per la protezione di apparecchiature elettroniche come personal computer, televisori, impianti stereo, in quanto garantite dal costruttore per sovratensioni di circa 1.5kV

Una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, data a titolo esemplificativo e non limitativo, sarà ora descritta in dettaglio con riferimento alle figure allegate in cui:

- la Figura 1 à ̈ uno schema del circuito del dispositivo secondo l’invenzione;

- la Figura 2 à ̈ uno schema del circuito di Figura 1 in cui à ̈ stato incorporato lo stadio di protezione di modo comune.

In Figura 1 il dispositivo limitatore di sovratensione secondo l’invenzione à ̈ complessivamente indicato con il riferimento 11. Tale dispositivo 11 comprende una sezione di ingresso 13 dotata di terminali di ingresso 13a,13b per il collegamento del dispositivo 11 ad una sorgente di energia elettrica 15 ed una sezione di uscita 17 dotata di terminali di uscita 17a,17b per il collegamento del dispositivo 11 ad un impianto elettrico 19 al quale possono essere associati carichi di vario genere e, in particolare, apparecchiature elettriche utilizzatrici, quali personal computer, apparecchi TV, elettrodomestici, ecc...

Secondo l’invenzione, il dispositivo 11 comprende un primo stadio di protezione 11a, uno stadio di disaccoppiamento intermedio 11b ed un secondo stadio di protezione 11c.

La sezione di ingresso 11a incorpora una serie di varistori 21a,21b posti in parallelo al carico ed un collegamento di terra 23 collegato ai varistori 21a,21b secondo uno schema ad “Y†.

Secondo l’invenzione, il circuito 23 comprende uno scaricatore di sovratensione o spinterometro 25 a tubo a scarica di gas GDT (“Gas Discharge Tube†), disposto fra i varistori 21a,21b ed il collegamento di terra, che nel disegno à ̈ indicato con il riferimento 27.

Secondo l’invenzione, la presenza del GDT 25, oltre a fornire la protezione di modo comune, garantendo l’isolamento galvanico, evita il passaggio verso terra delle correnti di fuga dei varistori, tipiche del loro funzionamento quando vengono alimentati.

Il primo stadio, caratterizzato dal collegamento a Y con GDT interviene con valori di sovratensioni maggiori del secondo.

La disposizione ad “Y†risulta particolarmente vantaggiosa in quanto il GDT, una volta innescato, mantiene l’arco elettrico anche con una bassa tensione ai capi. Il varistore, ripristinando il suo elevato valore di resistenza al diminuire della sovracorrente scaricata, aiuta l’estinzione dell’arco nel GDT. Grazie a questa disposizione ad “Y†, tale effetto si verifica vantaggiosamente per entrambi i varistori.

Lo stadio intermedio di disaccoppiamento 11b comprende due induttanze di disaccoppiamento 29a,29b e la sezione di uscita 11c comprende un varistore 31 posto in parallelo al carico.

Durante una sovratensione il circuito 11 si comporta nel modo seguente.

In generale i varistori e gli scaricatori di sovratensione in condizioni ideali possono essere paragonati a delle resistenze variabili il cui valore à ̈ molto elevato durante il normale funzionamento del circuito per poi abbassarsi sensibilmente durante una sovratensione. Il varistore varia gradualmente il valore di resistenza d’isolamento all’aumentare della tensione ai suoi capi a partire da una tensione minima di lavoro, mentre nel caso degli scaricatori questa variazione avviene bruscamente una volta raggiunta ai suoi capi la tensione di intervento.

I varistori 21a,21b iniziano a lavorare ad una tensione minima di lavoro V1 e prevedono una tensione di blocco (Vclamp) V2 > V1 quando il varistore à ̈ attraversato da una corrente predeterminata.

In una forma di realizzazione dell’invenzione, in cui à ̈ privilegiata la protezione contro sovratensioni di tipo comune, lo scaricatore 25 presenta una tensione di intervento V3 tale per cui V1 < V3 < V2.

Ipotizzando che il varistore 21a sia collegato fra fase e scaricatore 25 e che il varistore 21b sia collegato tra neutro e scaricatore 25 avremo che il varistore 21b incomincia a lavorare ad una tensione V1 e che alla tensione V3 (ossia quella di intervento dello scaricatore 25) non raggiunge ancora la tensione di blocco essendo V3 < V2. Al valore di tensione V3 la resistenza di isolamento del varistore 21b à ̈ pertanto ancora relativamente elevata rispetto a quella dello scaricatore 25 e di conseguenza gran parte della corrente fluirà nello scaricatore 25 che, quando interviene, assume repentinamente per sua natura una resistenza molto bassa.

Nel caso di prova di modo differenziale, la tensione ai capi di questi due componenti, ossia varistore 21b e scaricatore 25 sarà sostanzialmente identica, mentre si otterrà un picco di corrente sullo scaricatore a gas 25 circa doppio rispetto a quello di ciascun varistore 21a,21b.

Un comportamento simile si verifica per il varistore 31 nel secondo stadio di protezione 11c. Questo varistore presenta una tensione di blocco V5 > V2, ossia maggiore della tensione di blocco dei varistori 21a,21b del primo stadio e comincerà a lavorare ad una tensione minima di lavoro V4 in cui V1 < V3 < V4 < V2 < V5. La condizione suddetta si presta in particolare quando si desidera privilegiare la protezione contro sovratensioni di modo comune. In un’altra forma di realizzazione dell’invenzione, in cui si volesse privilegiare la protezione contro sovratensioni di modo differenziale si avrebbe invece V1 < V4 < V2 < V3 < V5.

Le induttanze 29a,29b associate allo stadio intermedio di disaccoppiamento 11b simulano una distanza elettrica di alcuni metri di cavo e permettono l’intervento del varistore 31 nel secondo stadio di protezione 11c, dopo l’intervento del primo stadio 11a. Le induttanze 29a,29b sono calibrate ad un valore predeterminato in modo che sia rispettata per il dispositivo la condizione Up < 750 V quando in ingresso viene iniettata una sovratensione da un generatore di tipo combinato con valore pari a 10 kV, dove per Up deve intendersi il valore di sovratensione massima nella sezione di uscita del dispositivo.

Le induttanze avranno valori di qualche decina di uH, ad esempio fra circa 20 e 40 uH.

Con riferimento alla Figura 2, il dispositivo secondo l’invenzione incorpora preferibilmente una coppia di condensatori 33a,33b disposti in serie fra loro e in parallelo a valle del terzo varistore 31 e collegati a terra mediante una derivazione ad “Y†per la protezione di modo comune dei dispositivi sensibili.

I parametri dei componenti del dispositivo descritto possono variare a seconda delle applicazioni.

In un esempio di realizzazione dell’invenzione, in cui à ̈ stata privilegiata la protezione contro sovratensioni di modo comune, il dispositivo 11 à ̈ stato previsto per essere alimentato da una tensione alternata 230V a 50 Hz e sono stati utilizzati i seguenti componenti.

Come varistori 21a,21b à ̈ stato utilizzato il modello S20K175 di EPCOS con tensione minima di 270 V e tensione di blocco 455 V quando si raggiungono i 100 A di corrente circolante nel varistore.

Come scaricatore 25 à ̈ stato utilizzato il GDT modello EC350X di EPCOS con tensione di intervento 350 V e resistenza di funzionamento < 1 Ω.

Come varistore 31 Ã ̈ stato utilizzato il modello S20K275 di EPCOS con tensione minima di lavoro 430 V e tensione di blocco 710 V quando si raggiungono i 100 A di corrente circolante nel varistore.

Il dispositivo 11 così configurato à ̈ stato sottoposto ad una prova di modo differenziale – AC in cui l’apparecchio da proteggere à ̈ stato simulato tramite un carico di 3 kΩ ed à ̈ stata iniettata una sovratensione da 10 KV tra fase e neutro.

Il varistore 21b collegato tra neutro e GDT incomincia a lavorare a circa 270V, tuttavia a 350V non raggiunge ancora la tensione di blocco (455V a 100 A), quindi la sua resistenza di isolamento à ̈ ancora relativamente alta rispetto a quella dello scaricatore 25, di conseguenza gran parte della corrente fluirà nello scaricatore che ha una resistenza di isolamento, quando interviene, < 1 Ω.

La tensione ai capi di questi due componenti (varistore 21b e scaricatore 25) Ã ̈ identica (circa 530 V di picco in questo esempio di realizzazione), mentre invece si ottiene un picco di corrente da circa 4000 A sullo scaricatore 25 contro i circa 1800 A del varistore.

Tra fase e terra all’ingresso del dispositivo sono misurati circa 1100 V e tra fase e neutro circa 1150 V.

Il varistore 31 nel secondo stadio di protezione comincerà a lavorare a 430 V e a bloccare la tensione una volta che la corrente che fluisce attraverso di esso sarà di 100 A (tensione di blocco 710 V).

Lo stesso dispositivo 11 à ̈ stato sottoposto ad una prova di sovratensione di modo comune – AC. Anche per questa prova à ̈ stata impostata una sovratensione da 10 KV.

In questo caso la sovratensione viene applicata tra fase e terra e il circuito si comporta nel modo seguente.

Lo scaricatore a gas GDT 25 interviene a 350 V e durante il tempo necessario a raggiungere la tensione nominale di intervento nessuna corrente fluisce nel GDT, di conseguenza il varistore 21a connesso tra scaricatore 25 e fase rimane inattivo. La tensione ai capi del varistore 21a comincia a salire soltanto dopo l’intervento dello scaricatore 25 e così pure la corrente aumenta dopo che à ̈ stata raggiunta la tensione d’intervento dello scaricatore 25.

Quando la tensione sullo scaricatore 25 diminuisce a causa del suo intervento, incomincia a scorrere corrente e di conseguenza anche il varistore 21a collegato tra fase e scaricatore 25 si attiva. La corrente nello scaricatore aumenta fino a determinare il passaggio dello stesso alla modalità ad arco. La tensione ai capi del varistore aumenta in funzione della corrente scaricata.

Quando la corrente che attraversa varistore 21a e scaricatore 25 arriva al valore di 100 A, si raggiunge anche la tensione di bloccaggio del varistore. Per il componente utilizzato si avrà una tensione di bloccaggio massima di 455 V a 100 A.

Nei due componenti (varistore 21a e scaricatore 25b) essendo collegati in serie la corrente à ̈ la stessa, mentre la tensione tra fase e terra limitata dal varistore 21a e dallo spinterometro 25 si attesta a circa 1300 V.

Il varistore 31, posto in parallelo al carico nel secondo stadio di protezione interviene con un effetto trascurabile perché attraversato da una corrente < 100 mA. La tensione massima misurata sul carico à ̈ stata di circa 740 V.

Il dispositivo così come descritto ed illustrato à ̈ suscettibile di numerose varianti e modificazioni, rientranti nello stesso principio inventivo.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo limitatore di sovratensione comprendente un circuito elettrico (11) dotato di una sezione di ingresso (13) e di una sezione di uscita (17) suscettibili di essere collegate, rispettivamente, ad una sorgente di energia elettrica (15) e ad un impianto di distribuzione dell’energia elettrica (19), detto circuito comprendendo inoltre: - un primo stadio di protezione (11a) collegato a valle di detta sezione di ingresso (13), un secondo stadio di protezione (11c) collegato fra il primo stadio (11a) e la sezione di uscita (17) ed uno stadio intermedio di disaccoppiamento (11c) collegato in serie fra detti due stadi di protezione; - una serie di due varistori (21a,21b) collegati in parallelo in detto primo stadio (11a); - uno scaricatore di sovratensione (25) collegato a terra e fra detto primo e secondo varistore (21a,21b) in modo da definire con essi uno schema di collegamento ad “Y†in detto primo stadio (11a); - un terzo varistore (31) collegato in parallelo in detto secondo stadio (11c); - un’induttanza (29a,29b) collegata in serie in ciascuna fase di detto stadio intermedio (11b).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto scaricatore di sovratensione (25) à ̈ uno spinterometro a tubo a scarica di gas (“Gas Discharge Tube†).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i varistori (21a,21b) nel primo stadio di protezione e lo scaricatore (25) sono tali per cui V1 < V3 < V2 dove V1 Ã ̈ la tensione minima di lavoro dei varistori, V2 Ã ̈ la tensione di blocco dei varistori e V3 Ã ̈ la tensione di intervento dello scaricatore.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui il varistore (31) nel secondo stadio di protezione (11c) presenta una tensione di blocco V5 > V2 ed una tensione minima di lavoro V4 in cui V1 < V3 < V4 < V2 < V5.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i varistori (21a,21b) nel primo stadio di protezione e lo scaricatore (25) sono tali per cui V1 < V2 < V3 dove V1 Ã ̈ la tensione minima di lavoro dei varistori, V2 Ã ̈ la tensione di blocco dei varistori e V3 Ã ̈ la tensione di intervento dello scaricatore.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui il varistore (31) nel secondo stadio di protezione (11c) presenta una tensione di blocco V5 > V2 ed una tensione minima di lavoro V4 in cui V1 < V4 < V2 < V3 < V5.
7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo stadio intermedio di disaccoppiamento (11b) comprende due induttanze di disaccoppiamento (29a,29b) calibrate ad un valore predeterminato.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui le induttanze (29a,29b) associate allo stadio intermedio di disaccoppiamento (11b) simulano una distanza elettrica di alcuni metri di cavo e permettono l’intervento del varistore (31) nel secondo stadio di protezione (11c), dopo l’intervento del primo stadio (11a).
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui le induttanze (29a,29b) sono calibrate in modo che si abbia una Up del dispositivo < 750 V quando in ingresso viene iniettata una sovratensione da un generatore di tipo combinato con valore fino a circa 10 kV, dove per Up deve intendersi il valore di sovratensione massima nella sezione di uscita del dispositivo.
10. 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito (11) incorpora una coppia di condensatori (33a,33b) disposti in serie fra loro e in parallelo a valle del secondo stadio di protezione (31) e collegati a terra mediante una derivazione ad “Y†per la protezione di modo comune dei dispositivi sensibili. = = = = = = = = = =