Informazioni sulla protezione contro le sovratensioni e i fulmini

Un picco, noto anche come tensione transitoria o picco, si riferisce al fenomeno della tensione che supera la normale tensione di esercizio per un breve momento. In sostanza, un picco è un rapido impulso di tensione che si verifica entro microsecondi. Le cause comuni di picchi includono l'avvio o l'arresto di attrezzature pesanti, cortocircuiti, commutazione di potenza e il funzionamento di grandi motori.

Le sovratensioni possono potenzialmente causare gravi danni alle apparecchiature elettriche. Pertanto, i prodotti dotati di dispositivi di soppressione delle sovratensioni possono assorbire efficacemente improvvise scariche di energia enorme, proteggendo le apparecchiature collegate da eventuali danni. L'uso di questi dispositivi di protezione migliora significativamente la sicurezza e l'affidabilità delle apparecchiature elettriche.

Caratteristiche delle sovratensioni:

sovratensioni hanno una durata estremamente breve, che di solito varia da nanosecondi a microsecondi. Quando si verificano sovratensioni, l'ampiezza di tensione e corrente supera i valori normali di oltre il doppio. A causa della rapida carica dei condensatori del filtro di ingresso, la corrente di picco delle sovratensioni è molto maggiore della corrente di ingresso in stato stazionario. Per affrontare le sovratensioni, i progetti di alimentazione dovrebbero considerare di limitare i livelli di sovratensione che gli interruttori CA, i ponti raddrizzatori, i fusibili e i dispositivi di filtraggio EMI possono sopportare.

Durante i processi di commutazione ripetitivi, la tensione di ingresso CA non dovrebbe danneggiare l'alimentatore o causare la bruciatura del fusibile. Questo fenomeno dura solitamente solo per pochi nanosecondi o millisecondi, ma i suoi valori di tensione e corrente superano significativamente i normali livelli operativi. Le sovratensioni sono diffuse nei sistemi di distribuzione e possono essere considerate onnipresenti.

Le principali manifestazioni di sovratensioni nei sistemi di distribuzione includono:

• Fluttuazioni di tensione: macchine e apparecchiature si arrestano o si avviano automaticamente in normali condizioni operative.
• Interferenza con dispositivi elettrici: ad esempio condizionatori d'aria, compressori, ascensori, pompe o motori.
• Anomalie nei sistemi di controllo del computer: frequenti ripristini inspiegabili.
• Sostituzione o riavvolgimento frequente dei motori.
• Durata di vita ridotta delle apparecchiature elettriche: durata di vita ridotta a causa di guasti, ripristini o problemi di tensione.

Le sovratensioni possono influenzare i dispositivi elettronici sensibili in diversi modi, tra cui:

Danno:

• Rottura della tensione dei dispositivi semiconduttori.
• Distruzione degli strati metallizzati sui componenti.
• Danni alle tracce del circuito stampato o ai punti di contatto.
• Danni ai tiristori/triac bidirezionali, ecc.

Interferenza:

• Blocco dell'apparecchiatura, perdita di controllo del tiristore o del tiristore bidirezionale.
• Danni parziali ai file di dati.
• Errori nei programmi di elaborazione dati.
• Errori e guasti nella ricezione e trasmissione dei dati.
• Malfunzionamenti inspiegabili e altro ancora.

Invecchiamento prematuro:

• I componenti invecchiano prematuramente, riducendo significativamente la durata di vita dei componenti elettronici.
• Diminuzione della qualità audio e video in uscita.
Fonti di sovratensioni:
Le sovratensioni possono avere origine sia da fonti esterne che interne. Circa il 20% delle sovratensioni proviene da fonti esterne, principalmente fulmini e altri impatti di sistema. Circa l'80% delle sovratensioni proviene da fonti interne, principalmente l'impatto di carichi elettrici interni.

Generatore di sovratensione_SG61000-5

Le sovratensioni esterne hanno origine principalmente dai fulmini e includono:

Fulmini diretti: colpi diretti su parafulmini, parafulmini, edifici o torri di raffineria.
Radiazioni elettromagnetiche causate dai fulmini: forti campi magnetici si irradiano dal punto in cui cade il fulmine, danneggiando la microelettronica anche se il fulmine non colpisce direttamente un edificio.
Correnti indotte dai fulmini nelle linee elettriche e di segnale.
Induzione da fulmine: attorno alla scarica del fulmine si formano forti campi magnetici alternati, inducendo tensione sui conduttori metallici vicini.
Elevati potenziali locali indotti dai fulmini.
Intrusione di fulmini: i fulmini diretti sulle linee elettriche o sui conduttori di discesa possono causare sovratensioni da fulmini sulle linee elettriche e forti impulsi elettromagnetici attorno ai cavi di alimentazione. Queste sovratensioni indotte possono propagarsi alle porte di ingresso delle apparecchiature, causando malfunzionamenti o danni alle apparecchiature.

Le sovratensioni interne derivano principalmente dalle operazioni di commutazione delle apparecchiature elettriche all'interno della rete elettrica e da altri fattori, tra cui:

Accensione e spegnimento di carichi elettrici elevati, come condizionatori d'aria, compressori, pompe o motori.
Inserimento e disinserimento di carichi induttivi.
Inserimento e disinserimento dei condensatori di correzione del fattore di potenza.
Guasti da cortocircuito.
Contatti meccanici: Interruttori meccanici, tra cui contatti di interruttori a relè, interruttori a pulsante, interruttori a chiave, potenziometri con interruttori, ecc.

Secondo le definizioni IEEE, le sovratensioni possono essere classificate in diverse categorie:

• Sovratensioni di tipo impulsivo: la tensione varia da diverse centinaia di volt a 20,000 volt in pochi microsecondi.
• Sovratensioni oscillatorie: la tensione varia da diverse centinaia di volt a 6000 volt in pochi microsecondi o millisecondi.
• Sovratensioni di tipo burst: tensione o corrente di picco di cicli ripetitivi.

Per proteggere le apparecchiature elettroniche dalle sovratensioni da fulmini, sono stati stabiliti degli standard di test di immunità pertinenti. Lo standard nazionale per i test di immunità alle sovratensioni da fulmini per le apparecchiature elettroniche è GB/T17626.5 (equivalente allo standard internazionale IEC61000-4-5). Questo standard simula principalmente varie situazioni causate da fulmini indiretti, tra cui:

• I fulmini colpiscono le linee esterne, generando grandi correnti che scorrono nelle linee esterne o nei resistori di terra, con conseguente tensione di interferenza.
• Tensione e corrente indotte da fulmini indiretti (come fulmini tra nubi o all'interno delle nubi) su linee esterne.
• Forti campi elettromagnetici si formano attorno agli oggetti adiacenti ai fulmini, inducendo tensione sulle linee esterne.
• Fulmini vicino al suolo, dove le correnti di terra introducono interferenze attraverso il sistema di terra comune. Inoltre, lo standard simula le interferenze introdotte dalle azioni di commutazione nelle sottostazioni (transitori di tensione durante le operazioni di commutazione), come:

• Interferenza generata durante la commutazione dei sistemi di alimentazione principali (ad esempio, commutazione di banchi di condensatori).
• Interferenza dovuta a piccole commutazioni di interruttori all'interno della stessa rete elettrica.
• Interferenza da apparecchiature a tiristori con circuiti risonanti.
• Vengono inoltre simulati vari guasti sistematici, come cortocircuiti e guasti ad arco tra reti di messa a terra delle apparecchiature o sistemi di terra.

Lo standard descrive due tipi di generatori di forme d'onda:

• Forme d'onda indotte sulle linee elettriche: forme d'onda di sovratensione strette (50 µs) con fronti ripidi (1.2 µs).
• Forme d'onda indotte sulle linee di comunicazione: forme d'onda di picco ampie con fronti delicati.

Impulsi di fulmini simulati indotti nelle linee elettriche a causa di fulmini o impulsi di sovratensione causati da scariche di fulmini attraverso la resistenza di terra comune. I parametri tipici includono tensione di uscita a circuito aperto (da 0.5 a 6 kV), corrente di uscita di cortocircuito (da 0.25 a 2 kA) per diversi livelli di test, resistenza interna (2 ohm) e resistenze aggiuntive (10, 12, 40, 42 ohm) per vari livelli di test. La polarità di uscita di sovratensione può essere positiva/negativa e l'uscita di sovratensione può essere sincronizzata con l'alimentazione con uno sfasamento da 0 a 360 gradi. La frequenza di ripetizione deve essere almeno una volta al minuto.

Livelli di gravità dei test di immunità alle sovratensioni da fulmini:

• Livello 1: Ambiente di buona protezione.
• Livello 2: Ambiente con una certa protezione.
• Livello 3: Ambiente con normali interferenze elettromagnetiche, senza requisiti di installazione speciali specificati per le apparecchiature, come i luoghi di lavoro industriali.
• Livello 4: Ambiente con gravi interferenze, come linee aeree civili o sottostazioni ad alta tensione non protette.
• Livello X: determinato dall'accordo tra l'utente e il produttore.