ITTO20120094U1 - Protezione da sovratensione dovuta a fulmini - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del modello di utilità dal titolo:

"PROTEZIONE DA SOVRATENSIONE DOVUTA A FULMINI"

DESCRIZIONE

La presente innovazione è relativa ad una protezione da sovratensione dovuta a fulmini.

Com'è noto, i fulmini sono caratterizzati dallo sviluppo di un'enorme energia in breve tempo.

Quasi tipicamente la tensione di un fulmine che colpisce un oggetto a terra aumenta da zero fino al suo valore massimo Vm-d in un tempo di scatto Ti (all'incirca 10 microsecondi); dopo aver raggiunto questo valore massimo Vm-d la tensione cala fino a Vm-d/2 in un tempo T2 che è tipicamente all'incirca di 350 microsecondi. La prima curva della tensione diretta è illustrata nella figura 1.

Se l'energia del fulmine viene ricevuta da un oggetto mediante un accoppiamento induttivo con l'oggetto che viene colpito direttamente dal fulmine, la tensione applicata indirettamente a tale oggetto segue una forma d'onda differente, ovvero aumenta da zero fino al suo valore massimo Vm-i in un tempo di scatto T3 (all'incirca 8 microsecondi); dopo aver raggiunto il suo valore massimo Vm-i, la tensione cala fino a Vm-i/2 in un tempo T4 che è tipicamente all'incirca di 20 microsecondi. La seconda curva della tensione indiretta è illustrata nella seguente figura 2.

Come si può vedere dalla figura 1, l'integrale della prima curva tra TI e T2 (che rappresenta l'energia alimentata direttamente dal fulmine, quest'area è marcata nella figura 1) è molto più grande dell'integrale (questa area è marcata nella figura 2) della seconda curva tra T3 e T4 (che rappresenta l'energia alimentata indirettamente dal fulmine).

Per via delle energie implicate, le protezioni esistenti possono limitare la tensione indiretta comportando seri problemi nel limitare la tensione diretta per via dell'enorme energia implicata.

Per esempio, se l'oggetto è rappresentato da una linea di alimentazione elettrica (per esempio una linea di alimentazione) è pratica comune proteggere tale linea dalla tensione indiretta utilizzando un varistore.

Com'è noto, un varistore è un componente elettronico con una caratteristica di tensionecorrente non lineare "simile a diodo" (un varistore è anche noto come resistore dipendente da tensione o VDR). I varistori vengono utilizzati per proteggere i circuiti da un transiente eccessivo poiché, quando viene applicata una sovratensione alla linea, il varistore trasferirà la corrente creata dall'elevata tensione lontana dai componenti sensibili.

Come riportato, anche se i varistori subentrano nell'eliminare un'energia notevole, non riescono a dissipare l'energia per via di una tensione diretta applicata da un fulmine. Infatti, i varistori sono normalmente accoppiati ad un dispositivo a scarica in gas in cui la tensione diretta induce un arco elettrico tra due terminali, uno accoppiato alla linea e l'altro accoppiato a terra.

Tuttavia anche il dispositivo a scarica in gas ha problemi. Infatti se la linea di alimentazione trasporta una tensione in corrente alternata, l'arco si estingue quando la tensione diretta prodotta dal fulmine va a zero, come una forma d'onda in corrente alternata va periodicamente a 0.

Al contrario, se la linea di alimentazione trasporta una tensione in corrente continua, l'arco non si estingue quando la tensione diretta prodotta dal fulmine si estingue, poiché la tensione sulla linea non va mai a zero e alimenta l'arco.

Nel caso di cui sopra, le protezioni esterne della linea di alimentazione devono intervenire per disattivare la tensione di alimentazione in un momento che è di gran lunga successivo rispetto al tempo T2 di cui sopra. Il risultato è la disconnessione della linea di alimentazione.

La riconfigurazione della linea di alimentazione implica costi e tempi.

Lo scopo della presente innovazione è di ovviare agli inconvenienti del dispositivo noto.

La soluzione di cui sopra è superata dalla presente invenzione poiché è relativa ad una protezione da sovratensione applicata/indotta su una linea di alimentazione di potenza in corrente continua elettrica dovuta a fulmini comprendente: numerosi dispositivi a scarica in gas identici collegati in serie vicini tra loro e alloggiati in un alloggiamento isolante; ciascun dispositivo a scarica comprendendo una coppia di elettrodi isolati opposti tra loro ad una distanza fissa D e configurati per permettere lo scatto di un arco elettrico tra gli elettrodi quando una tensione Vm limite è superata per tale dispositivo a scarica in gas; ciascun dispositivo a scarica in gas essendo configurato per essere caratterizzato da una tensione residua Up che è la tensione presente tra gli elettrodi quando l'arco elettrico si estingue; la protezione essendo così configurata in modo tale che la somma delle tensioni residue Up dei dispositivi a scarica in gas sia superiore rispetto alla tensione di alimentazione applicata alla linea di alimentazione elettrica in corrente continua.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni allegati che descrivono un esempio non limitativo dell'invenzione, in cui:

le figure 1 e 2 mostrano il fenomeno fisico considerato dal dispositivo della tecnica anteriore;

la figura 3 mostra il comportamento elettrico dei dispositivi della tecnica anteriore;

la figura 4 mostra una protezione da sovratensione applicata/indotta su una linea di alimentazione di potenza elettrica dai fulmini secondo la presente invenzione; e

la figura 5 mostra un esempio di una protezione secondo la presente invenzione.

Nella figura 5 il numero di riferimento 1 indica una protezione da sovratensione applicata/indotta su una linea di alimentazione di potenza elettrica dai fulmini.

La protezione 1 ha un primo terminale la e un secondo terminale lb; durante l'utilizzo il primo terminale la è collegato ad una linea di alimentazione 3 (illustrata schematicamente) che fornisce alimentazione elettrica ad un veicolo V (rappresentato schematicamente e non in scala) e un terminale lb è collegato ad una tensione di riferimento 4 (terra).

La tensione Vline applicata alla linea di alimentazione può mostrare valori differenti, per esempio 3400 Volt in caso di linea di alimentazione di treni, 1500 Volt in caso di linea di metropolitana, 750 Volt in caso di metropolitana leggera/tram e 500 Volt in caso di altri veicoli elettrici. La tensione è una tensione in corrente continua.

La protezione 1 comprende un alloggiamento isolante 6 che contiene un numero N (per esempio N=10, 113, 42, 21) di dispositivi a scarica in gas 10 identici collegati in serie vicini tra loro; ciascun dispositivo a scarica 10 comprende una coppia di elettrodi isolati 11 opposti ad una distanza fissa D e configurati per consentire ad un arco elettrico di estendersi tra gli elettrodi 11 quando viene superata una tensione limite Vm per un singolo dispositivo a scarica 10. Elettrodi liberi Ila, llb dei dispositivi a scarica in gas terminali 10 sono collegati al primo/secondo terminale la/lb.

Ciascun dispositivo a scarica 10 è configurato da una tensione residua Up che è la tensione presente tra gli elettrodi 11 quando l'arco elettrico si estingue (Vm>>Up).

Per esempio Vm=75 [V] e Up=30 [V] per Vline=750 [V].

La protezione è configurata in modo tale che la somma (N*Up) delle tensioni residue Up dei dispositivi a scarica in gas sia superiore rispetto alla tensione di alimentazione Vline applicata alla linea di potenza elettrica, ovvero

(N*Up)> Vline.

Di conseguenza, vi è una sovratensione Vshot (per esempio una sovratensione indotta da un fulmine) che viene applicata alla linea di alimentazione 3 ed un arco A viene creato tra una qualsiasi coppia di elettrodi 11 in modo che la protezione complessiva 1 conduca la sovracorrente indotta dalla sovratensione alla terra attraverso archi successivi A; ciò permette di dissipare l'energia prodotta dalla sovratensione .

Quando l'arco si estingue (ciò avviene all'incirca in un microsecondo) la tensione tra gli elettrodi 11 cala fino al valore Up che è determinato dalla struttura fisica del dispositivo a scarica in gas. Di conseguenza, in corrispondenza dei terminali la, lb della protezione 1 è presente una tensione (N*Up) > Vline che non permette ad una corrente di scorrere dalla linea di alimentazione in corrente continua 3 fino alla terra 4. Ciò è descritto nella figura 4 che mostra che la corrente sulla linea 3 prodotta da un fulmine va fino ad un livello di protezione e quindi cala molto vicino allo zero.

Si ovvia quindi all'inconveniente del dispositivo a scarica in gas della tecnica anteriore che conduce corrente dalla linea di alimentazione di potenza in corrente continua fino alla terra quando l'arco si estingue (ciò è illustrato nella figura 3 in cui la corrente mostra una curva che si inclina gradualmente) .

Tipicamente l'alloggiamento isolante 6 ha una forma tubolare cilindrica lungo un asse longitudinale 12 che è perpendicolare agli elettrodi 11 comprendenti ciascuno una parete piatta costituita da un materiale conduttivo (per esempio grafite). L'alloggiamento isolante 6 ha un'apertura di estremità chiusa da rispettivi cappucci isolanti 13a, 13b attraverso i quali si estende il primo/secondo terminale la/lb.

Gli elettrodi 11 sono mantenuti in posizione ad una distanza fissa D l'uno dall'altro mediante una struttura di distanziamento simile a pettine 15 che presenta numerose scanalature 17 equidistanti lungo l'asse 12 e progettate ciascuna per trattenere una porzione perimetrale dell'elettrodo piatto 11. La struttura di distanziamento simile a pettine 15 è realizzata con un materiale isolante (per esempio plastica) ed è collocata nella parte interna dell'alloggiamento tubolare 6 coassiale con l'asse 12.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Protezione da sovratensione applicata/indotta su una linea di alimentazione di potenza in corrente continua elettrica dai fulmini comprendente; - un numero (N) di dispositivi a scarica in gas (10) identici collegati in serie vicini tra loro ed alloggiati in un alloggiamento isolante (6); ciascun dispositivo a scarica (10) comprendendo una coppia di elettrodi isolati (11) opposti tra loro ad una distanza fissa D e configurati per consentire ad un arco elettrico (A) di scattare tra gli elettrodi (11) quando una tensione limite Vm viene superata per tale dispositivo a scarica; ciascun dispositivo a scarica essendo configurato per essere caratterizzato da una tensione residua Up che è la tensione presente tra gli elettrodi (11) quando l'arco elettrico (A) si estingue; la protezione essendo così configurata in modo tale che la somma (N*Up) delle tensioni residuo Up dei dispositivi a scarica in gas sia superiore rispetto alla tensione di alimentazione (Vline) applicata alla linea di potenza elettrica in corrente continua.
2. 2. Protezione secondo la rivendicazione 1, in cui l'alloggiamento isolante (6) ha una forma tubolare che si estende lungo un asse longitudinale (12) che è perpendicolare agli elettrodi (11) comprendenti ciascuno una parete piatta costituita da un materiale conduttivo.
3. 3. Protezione secondo la rivendicazione 2, in cui è prevista una struttura di distanziamento simile a pettine (15) per trattenere gli elettrodi 11 in posizione ad una distanza fissa D tra loro; la struttura di distanziamento (15) avendo numerose scanalature (17) equidistanti lungo detto asse longitudinale (12) e progettate ciascuna per contenere una porzione perimetrale dell'elettrodo piatto (11).
4. 4. Protezione secondo la rivendicazione 2, in cui la struttura di distanziamento simile a pettine (15) è costituita da un materiale isolante ed è collocata nella parte interna dell'alloggiamento tubolare (6) coassiale con detto asse (12).