Le moderne reti di distribuzione elettrica si basano sull'impiego di dispositivi di protezione che non si guastano in risposta a improvvisi sbalzi di tensione. L'origine di questi transitori può essere dovuta a fulmini, commutazioni di carichi ad alta induttanza, disturbi di rete, eccitazione di banchi di condensatori o guasti alle apparecchiature. Gli elementi di protezione dalle sovratensioni, i sistemi di isolamento, gli scaricatori, gli interruttori di rete e le apparecchiature di ripristino dei relè dovrebbero essere in grado di resistere a tali brevi ma drammatiche sovratensioni. Il controllo di laboratorio su generatori di sovratensioni è la chiave per convalidare tali prestazioni, poiché modelli di disturbo realistici vengono riprodotti in condizioni riproducibili.
Nei sistemi reali, i fenomeni transitori sono difficilmente uniformi. Forme d'onda di tensione più ripide sono causate da fulmini, e la commutazione dei condensatori causa picchi più lenti ma ad alta energia. Le macchine industriali, che si avviano rapidamente, causano disturbi ripetuti. I dispositivi di protezione della distribuzione dell'energia elettrica devono essere in grado di rilevare tali fenomeni, assorbire tale energia e rispondere senza degradarsi. La simulazione delle sovratensioni consente agli ingegneri di verificare queste capacità prima che le apparecchiature possano essere assemblate sul campo.

Scopo della simulazione delle sovratensioni nell'ingegneria della protezione

Sono presenti dispositivi di protezione per condurre o riconvertire l'energia prima che entri in contatto con apparecchiature delicate presso le postazioni di lavoro. Ciascuna di queste funzioni viene verificata tramite simulazione di sovratensione mediante impulsi di sovratensione controllati. In assenza di tale convalida, le apparecchiature possono funzionare egregiamente nelle loro modalità operative sottostimate, ma guastarsi a causa di interazioni transitorie impreviste.
Un tester di sovratensione impulsiva è un duplicatore di forme d'onda di una sovratensione, definite esattamente sia in termini di tempo di salita, tensione massima e decadimento. Ciò consente agli ingegneri di testare non solo la capacità di tenuta, ma anche la sequenza di funzionamento dei dispositivi di protezione. I produttori come LISUN fornire un sistema di sovratensione calibrato, utilizzato appositamente nei test di sicurezza elettrica ad alta ripetibilità, per garantire che venga misurato il comportamento transitorio elettrico anziché valori approssimativi.

Valutazione della resistenza dell'isolamento e delle caratteristiche di rottura

La prevenzione iniziale delle tensioni transitorie è spesso l'isolamento. Cavi, avvolgimenti, isolatori passanti e alloggiamenti dei connettori devono essere resistenti a forti variazioni di sollecitazioni elettriche. I test in corrente alternata o continua costante non riescono a indicare il comportamento dell'isolamento in caso di bruschi aumenti di tensione. Le apparecchiature di protezione da sovratensioni sono sollecitate dinamicamente dalla generazione di forme d'onda come l'impulso standardizzato di 1.2/50 ms. Con il rapido aumento della tensione, i campi elettrici si concentrano nei legami di microscopiche fessure, crepe e confini del materiale.
Il test indica che l'isolamento è in grado di ripristinarsi in seguito a una situazione temporanea o a scariche parziali interne che si accumulano in un percorso di guasto. I generatori di sovratensione determinano esattamente la tensione alla quale si verifica il guasto, dove si concentra l'energia e se il modello di guasto è indicativo di difetti di fabbricazione.

Verifica dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni e degli scaricatori

I dispositivi di protezione da sovratensioni (SPD) e gli scaricatori sono progettati per assorbire potenza momentanea. I valori nominali dovrebbero tuttavia essere simili alle caratteristiche delle risposte effettive in condizioni reali. Le prove di sovratensione consistono nell'analisi del comportamento dei morsetti, dell'uniformità delle reazioni tra le fasi e della stabilità della dissipazione di energia.
Un dispositivo di protezione attivato in ritardo trasmetterà troppa energia transitoria ai circuiti di distribuzione. Un dispositivo di protezione che si attiva prematuramente può agire come un cortocircuito, sovraccaricando gli interruttori a monte. I generatori di sovratensione contribuiscono a garantire che non vi siano discrepanze nelle soglie di funzionamento in più circuiti. Il comportamento di invecchiamento viene evidenziato anche nella prova di impulso.

Coordinamento di relè e interruttori in condizioni transitorie

L'utilizzo di relè di protezione digitali e interruttori automatici nelle moderne reti di distribuzione è fondamentale e deve comportarsi in modo appropriato in caso di sovratensione. Misurando le firme di tensione e intervenendo al volo, i relè monitorano i livelli di tensione. Gli interruttori automatici intervengono sui guasti solo su richiesta e in tale momento devono coincidere con il riconoscimento dei transitori.
Anche gli interruttori stessi non dovrebbero subire danni fisici durante gli eventi ad alta energia. Le camere di spegnimento dell'arco al loro interno sono sottoposte a forti sollecitazioni elettriche in caso di transitori. Le condizioni vengono riprodotte in modo sicuro e in un ambiente controllato nei generatori di emergenza. Misurando la velocità di apertura dell'interruttore in condizioni di picchi di tensione transitoria, gli ingegneri verificano che i meccanismi operativi siano coerenti da un ciclo all'altro.

Analisi della protezione del trasformatore e dell'avvolgimento

I trasformatori sono sottoposti a forti sollecitazioni in caso di sovratensioni. L'accoppiamento della forma d'onda in ingresso negli avvolgimenti non è uniforme e ciò porta alla concentrazione del campo elettrico tra le spire. I generatori di sovratensioni vengono utilizzati per determinare la capacità di tenuta all'impulso da fulmine, i parametri di coordinamento dell'isolamento e il comportamento delle sollecitazioni da spira a spira.
Nella maggior parte dei casi, l'avvolgimento del trasformatore può sembrare stabile in condizioni normali, ma cedere con una diminuzione dell'isolamento in caso di rapido aumento transitorio. Gli ingegneri analizzano i modelli di oscillazione risultanti, il comportamento della risonanza elettrica e le caratteristiche di smorzamento. Questi parametri determineranno la geometria della pista e lo spessore dell'isolamento più adatti all'uso sul campo. I risultati dei test effettuati con un tester di sovratensione impulsiva calibrato sono molto più accurati rispetto alla sola modellazione teorica.

Affidabilità del cablaggio e del connettore in caso di sovratensione

Su lunghe distanze, cavi di alimentazione, connettori e terminazioni sono soggetti a sovratensioni. Questi componenti sono più sensibili alla contaminazione da polvere, all'ingresso di umidità e alla presenza di vecchi isolanti. I test di sovratensione determinano la resistenza degli alloggiamenti dei connettori e degli strati dielettrici dei cavi alle tensioni di picco, senza sviluppare canali di scarica parziale.
La forma d'onda momentanea si verifica quando i connettori trattengono i bordi metallici o presentano irregolarità nell'isolamento. In caso di punti deboli, la sovratensione forma campi focali che possono bruciare passaggi microscopici. Il test manterrà stabili i cavi assemblati in condizioni estreme, eliminando il rischio di guasti in future installazioni sotterranee e aeree.

Importanza della modellazione e della ripetibilità della forma d'onda

La fedeltà della forma d'onda ai test di sovratensione è un metodo accurato per testarla. Una forma d'onda con un tempo iniziale o finale errato non rispecchia quindi le reali condizioni di campo. I generatori di sovratensione emettono impulsi esattamente nel modo in cui consentono ai dispositivi di protezione di essere sottoposti a sollecitazioni elettriche realistiche.
La ripetibilità garantisce la costanza delle prestazioni quando misurate tra lotti. I risultati dei test non sono affidabili se la forma d'onda varia a frequenze elevate. Sistemi di qualità come quelli realizzati da LISUN dispongono di sistemi di calibrazione interni che garantiscono l'accuratezza delle forme d'onda anche dopo un uso prolungato. Questa stabilità viene applicata dagli ingegneri per confrontare materiali, design di isolamento, dispositivi di protezione e sistemi di commutazione in periodi di tempo prolungati.

Figura: Generatore di sovratensione

Integrazione nei quadri di certificazione dei prodotti

La documentazione delle prestazioni di sovratensione, che precede di poco l'approvazione dei prodotti, è obbligatoria nella maggior parte degli standard di sicurezza elettrica. I molteplici tipi di sovratensione sono spesso richiesti nei programmi di certificazione nazionali e internazionali, come le prove di impulso luminoso, le prove di sovratensione di commutazione e le prove di onde combinate. I generatori di sovratensione consentono ai produttori di soddisfare al meglio tali esigenze.
Anche le prove di impulso controllate in laboratorio sono importanti per gli enti di certificazione, poiché l'osservazione sul campo delle sovratensioni non è prevedibile. Una stagione di fulmini garantirà la sopravvivenza di un dispositivo di protezione, mentre il guasto della stagione successiva sarà causato solo da una differenza nelle forme d'onda. La casualità viene eliminata con la simulazione in laboratorio e l'affidabilità è garantita.

Conclusione

La distribuzione affidabile dell'energia è una preoccupazione per i componenti che potrebbero resistere a sovratensioni elettriche ad alta energia. Le forme d'onda esatte necessarie per verificare la resistenza di isolamento dei componenti, la risposta di un relè, il comportamento di serraggio di uno scaricatore, il coordinamento di un interruttore, l'integrità degli avvolgimenti di un trasformatore e la resistenza dielettrica di un cavo sono disponibili in modelli di laboratorio. generatori di sovratensioni.
Tester di sovratensione impulsiva calibrato, in particolare la combinazione fornita da produttori rinomati come LISUN, consente agli ingegneri di comprendere appieno la capacità protettiva dei componenti di distribuzione. Questa conferma predittiva elimina i guasti sul campo e garantisce il rispetto dei requisiti di sicurezza e l'aumento della durata delle infrastrutture elettriche.