SPD: Non solo una cosa fatta e finita ⚡

Sono le 2 del mattino di un martedì. Il telefono squilla sul comodino e l'ID del chiamante è il supervisore del turno di notte dell'impianto. Il cuore affonda. Non è mai una buona notizia. Un temporale ha attraversato la zona un'ora fa, ma era a chilometri di distanza: nessun colpo diretto, nemmeno uno sfarfallio delle luci di casa vostra. Ma la voce del supervisore è frenetica. “La linea 3 è fuori uso. Il PLC principale, due VFD e metà delle schede I/O sono fritti. Siamo completamente a secco”.”

Sono un ingegnere applicativo senior da oltre 15 anni e non so dirvi quante volte ho sentito una variante di questa storia. Il colpevole non è la tempesta in sé, ma il killer invisibile che invia lungo le linee elettriche: una sovratensione transitoria, o ciò che comunemente chiamiamo sovratensione. Si tratta di un picco elettrico ad alta energia e di breve durata che può paralizzare o distruggere i dispositivi elettronici sensibili in un microsecondo. Il costo non è solo qualche migliaio di dollari per un nuovo PLC, ma decine o centinaia di migliaia di dollari in termini di perdita di produzione, scadenze non rispettate e costi di riparazione di emergenza.

La maggior parte delle strutture crede di essere protetta perché dispone di un sistema di parafulmini esterni. Ma questo protegge solo la struttura dell'edificio da un fulmine diretto. Non fa nulla per fermare le massicce sovratensioni elettriche che vengono condotte e indotte nelle linee di alimentazione, dati e comunicazione.

È qui che entrano in gioco i dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD). Ma la domanda che sento più spesso è: “Quali mi servono? E dove? Devo mettere gli SPD su ogni pannello?”. La risposta non è solo “sì” o “no”. La risposta giusta è strategica e si basa sulla comprensione dei diversi tipi di SPD e delle tecnologie che li compongono. Questa guida vi guiderà attraverso il perché, il cosa e il dove della protezione contro le sovratensioni, dall'ingresso del servizio fino all'apparecchiatura più sensibile del vostro piano, concentrandosi su un'analisi approfondita del problema. confronto materiale tra SPD di tipo 1 vs. tipo 2 vs. tipo 3.

I fondamenti: Come funziona un limitatore di sovratensione?

Prima di passare in rassegna i diversi tipi, chiariamo cosa fa un SPD. Pensate al vostro impianto elettrico come a un impianto idraulico con una pressione dell'acqua (tensione) costante e normale. Una sovratensione è come un colpo d'ariete improvviso e massiccio, un picco di pressione che può far scoppiare i tubi e danneggiare gli apparecchi.

Un SPD si comporta come una valvola di scarico della pressione. In condizioni di tensione normali, rimane lì, senza fare nulla, presentando un'alta impedenza. Ma quando rileva un picco di tensione superiore a una certa soglia (la sua tensione di bloccaggio), crea istantaneamente un percorso a bassissima impedenza per deviare l'energia in eccesso in modo sicuro verso terra. Quando la tensione torna alla normalità, la “valvola” si chiude di nuovo. Tutto questo avviene in pochi nanosecondi.

Le sovratensioni provengono da due fonti principali:

1. Sovratensioni esterne: Sono quelli più grandi, spesso causati da fulmini (anche a chilometri di distanza) o da operazioni di commutazione della rete elettrica. Trasportano un'energia immensa e sono la minaccia principale per il servizio elettrico principale.
2. Interventi interni: Sono molto più comuni e rappresentano fino all'80% di tutti gli eventi transitori. Vengono generati all'interno della vostra struttura ogni volta che grandi carichi come motori, pompe, sistemi HVAC o saldatrici si accendono e si spengono. Anche se di minore entità, la loro costante ripetizione degrada l'elettronica nel tempo, portando a guasti che sembrano casuali e prematuri.

Poiché queste minacce provengono sia dall'esterno che dall'interno, un singolo dispositivo di protezione da sovratensioni non è sufficiente. La strategia più efficace è un approccio coordinato e stratificato, noto come “difesa in profondità”. Immaginate un sistema di filtraggio dell'acqua: un filtro grossolano all'ingresso cattura le rocce più grosse, un filtro più fine a valle cattura i sedimenti e un filtro finale a carbone al rubinetto assicura la purezza dell'acqua. Gli SPD funzionano nello stesso modo a cascata.SPD: Non solo uno e basta

Un sistema di protezione dalle sovratensioni a strati o a cascata.

La gerarchia SPD: Un'immersione profonda nell'SPD di tipo 1 vs. tipo 2 vs. tipo 3

L'industria, guidata da standard come la UL 1449 e la serie IEC 62305, ha classificato gli SPD in “Tipi” in base al luogo di installazione e al tipo di sovratensione che sono progettati per gestire. Comprendere questo SPD di tipo 1 vs. tipo 2 vs. tipo 3 La gerarchia è alla base di un solido piano di protezione.

SPD di tipo 1: il difensore in prima linea

Un SPD di tipo 1 è la prima linea di difesa del sistema. È il guardiano per impieghi gravosi installato all'ingresso del servizio, proprio nel punto in cui l'energia elettrica entra nell'edificio. Può essere installato sia sul “lato linea” (prima dell'interruttore principale) che sul “lato carico” (dopo l'interruttore principale), ma il suo compito principale è quello di affrontare le sovratensioni esterne più potenti.

• Posizione: Ingresso di servizio principale, quadro elettrico principale o trasformatore di utilità.
• Scopo: Per proteggere dai transitori ad alta energia causati da fulmini diretti o vicini e da grandi eventi di commutazione.
• Spec. chiave: Un SPD di tipo 1 è definito in base alla sua capacità di resistere ad una Forma d'onda di corrente 10/350µs, definita corrente impulsiva (Iimp). Questa forma d'onda simula l'enorme energia e la lunga durata di una corrente di fulmine diretta. Pensate che è stata costruita per resistere a un'onda anomala.
• Suggerimento: se l'edificio è dotato di un sistema di protezione esterna contro i fulmini (parafulmini), un SPD di tipo 1 non è solo consigliato, ma è essenziale. Il sistema di protezione contro i fulmini è progettato per condurre in sicurezza una scarica diretta a terra, ma nel farlo indurrà una forte sovracorrente sull'impianto elettrico che solo un dispositivo di tipo 1 è in grado di gestire.

SPD di tipo 2: il cavallo di battaglia della struttura

L'SPD di tipo 2 è il tipo più comune e protegge i sottoquadri e i quadri di distribuzione in tutta la struttura. È progettato per essere installato sul “lato carico” di un dispositivo di protezione da sovracorrente (come un interruttore automatico).

• Posizione: Pannelli di distribuzione, pannelli di derivazione e alimentazioni di apparecchiature sensibili.
• Scopo: Per deviare a monte l'energia residua di sovratensione “lasciata passare” dall'SPD di tipo 1 e, soprattutto, per bloccare le frequenti sovratensioni generate all'interno dell'impianto.
• Spec. chiave: Gli SPD di tipo 2 sono testati con un Forma d'onda di corrente 8/20µs, nota come corrente di scarica nominale (In). Questa forma d'onda ha un tempo di salita molto più rapido e una durata più breve rispetto all'onda di 10/350µs, simulando le caratteristiche delle sovratensioni generate internamente e i resti di quelle esterne. Si pensi a queste forme d'onda come alla gestione delle onde agitate e imprevedibili all'interno del porto, dopo che l'onda di marea principale è stata interrotta dal muro di cinta.

SPD di tipo 3: il polacco finale al punto d'uso

Un SPD di tipo 3 è l'ultimo livello di protezione, situato proprio accanto all'apparecchiatura che protegge. Sono i dispositivi che si trovano nelle ciabatte di protezione dalle sovratensioni, negli adattatori a spina o, a volte, direttamente nei dispositivi elettronici sensibili.

• Posizione: Alla presa o al collegamento dell'apparecchiatura, in genere entro 10 metri (circa 30 piedi) dal carico.
• Scopo: Per bloccare i piccoli e veloci transitori che possono ancora superare l'SPD di tipo 2 o che sono generati da dispositivi vicini. Il loro vantaggio principale è quello di fornire una tensione di clamping molto bassa proprio dove è più necessaria.
• Spec. chiave: Anche i dispositivi di tipo 3 vengono testati con un'onda di corrente di 8/20 µs, ma l'attenzione è rivolta meno alla gestione di energia massiccia e più a un basso consumo di energia. Grado di protezione dalla tensione (VPR) o Livello di protezione della tensione (su). Questo valore indica la tensione massima a cui l'apparecchiatura sarà esposta e, per i dispositivi elettronici sensibili, una tensione più bassa è sempre meglio.
• Suggerimento per i professionisti: Non fate mai affidamento solo su un SPD di tipo 3! È come usare un filtro di caffè per fermare un'alluvione. Senza i dispositivi di tipo 1 e 2 a monte che si occupano del lavoro pesante, una forte sovratensione distruggerà istantaneamente un dispositivo di tipo 3 e le apparecchiature che dovrebbe proteggere.

Confronto tra le caratteristiche: Tipo 1 vs. Tipo 2 vs. Tipo 3

Dentro la scatola: Un confronto tra materiali e tecnologie SPD

Quindi, cosa c'è all'interno di questi dispositivi che permette loro di compiere queste prodezze di ingegneria elettrica ad alta velocità? Il “tipo” di SPD ne definisce l'applicazione, ma la tecnologia dei componenti all'interno è ciò che fa il vero lavoro. La scelta del materiale determina le prestazioni, la durata e il costo del dispositivo. I componenti principali sono quattro, spesso utilizzati in combinazioni ibride.

1. Varistore all'ossido di metallo (MOV)

Il MOV è il cavallo di battaglia indiscusso del mondo della protezione dalle sovratensioni, presente nella stragrande maggioranza degli SPD di tipo 2 e 3. È un dispositivo semiconduttore ceramico (principalmente ossido di zinco con altri ossidi metallici) che agisce come un interruttore sensibile alla tensione. Si tratta di un dispositivo semiconduttore in ceramica (principalmente ossido di zinco con altri ossidi metallici) che agisce come un interruttore sensibile alla tensione. A tensioni normali, i confini dei grani creano un'elevata resistenza. Quando la tensione sale, questi confini si rompono in pochi nanosecondi e la resistenza scende quasi a zero, smistando la corrente di sovratensione verso terra.

• Pro: Tempo di risposta molto rapido, elevata capacità di assorbimento dell'energia per le sue dimensioni e costo relativamente basso.
• Contro: Si degradano ad ogni sovratensione che deviano. Ogni evento altera leggermente il materiale, abbassando la tensione di bloccaggio. Con il tempo, possono guastarsi, a volte in condizioni di cortocircuito. Per questo motivo, tutti i moderni SPD con MOV DEVONO includere fusibili termici e indicatori di stato per scollegarli in modo sicuro a fine vita.

2. Tubo di scarico del gas (GDT)

Un GDT è un dispositivo semplice ma potente, costituito da due o più elettrodi sigillati in un piccolo tubo di ceramica riempito con un gas inerte. Quando la tensione tra gli elettrodi supera la tensione di rottura del gas, si forma un arco, creando un percorso a bassissima resistenza (un cortocircuito virtuale).

• Pro: Sono in grado di gestire correnti di sovratensione estremamente elevate (il che li rende ideali per gli eventi di tipo fulmineo nelle applicazioni di tipo 1), hanno una capacità molto bassa (eccellente per le linee dati/telecomunicazioni) e sono molto robusti, non si degradano con l'uso come fanno i MOV.
• Contro: Sono più lenti a reagire rispetto ai MOV. Quando si innescano, l'arco crea la cosiddetta “corrente di inseguimento”: continua a condurre anche dopo che la sovracorrente è passata, finché la tensione di linea è sufficiente a mantenere l'arco. Questo fenomeno può essere dannoso per le linee di alimentazione CA e spesso richiede un componente secondario (come un MOV o un fusibile) per spegnere l'arco.

3. Spazio per la scintilla

Lo spinterometro è l'originale protettore di sovratensioni “a forza bruta”. Nella sua forma più semplice, si tratta di due conduttori separati da un piccolo traferro. Quando si verifica una tensione molto alta (ad esempio, un fulmine), un arco salta la fessura, deviando la corrente. I moderni “spinterometri innescati” sono versioni più avanzate che utilizzano un terzo elettrodo o un circuito elettronico per sparare in modo più affidabile e a tensioni più basse e controllate.

• Pro: Possono gestire i più alti livelli di corrente da fulmine immaginabili (Iimp > 100 kA). Sono incredibilmente robusti.
• Contro: Tensione di innesco molto lenta e imprecisa, e genera una corrente di seguito significativa che deve essere estinta, di solito tramite un fusibile o un interruttore. Si trovano quasi esclusivamente negli SPD di tipo 1 per impieghi gravosi nelle sottostazioni o negli ingressi di servizio principali, dove la forza bruta è la priorità.

4. Diodo di soppressione della tensione transitoria (TVS)

I diodi TVS sono dispositivi a semiconduttore, come i diodi Zener superveloci, progettati specificamente per la protezione dalle sovratensioni. Sono gli strumenti di precisione del mondo degli SPD, che bloccano la tensione con una precisione chirurgica.

• Pro: Il tempo di risposta è estremamente rapido (picosecondi), la tensione di serraggio è molto precisa e non si degrada con l'uso ripetuto (nei limiti del loro rating).
• Contro: Hanno una capacità di gestione dell'energia molto inferiore rispetto alle altre tecnologie. Sono perfetti per proteggere i componenti sensibili a livello di scheda e sono spesso utilizzati come stadio finale della protezione nei dispositivi di tipo 3.

Matrice della tecnologia dei materiali: Un confronto immediato

Il risultato principale: L'SPD perfetto spesso non riguarda una singola tecnologia, ma una design ibrido che sfrutta i punti di forza di ciascuno. Una combinazione comune ed estremamente efficace in un SPD di tipo 1 o 2 ad alte prestazioni è costituita da un GDT o da uno Spark Gap per la gestione dell'energia massiccia, abbinato a un MOV per gestire il tempo di risposta e la tensione di bloccaggio, assicurando sia la protezione dalla forza bruta che un bloccaggio rapido e preciso.

Dalla teoria alla pratica: Guida alla selezione e all'installazione in 3 fasi

E ora la parte più importante: come applicare tutto questo alla vostra struttura? Un buon progetto segue un processo chiaro e logico.

Fase 1: comprendere le zone di protezione (concetto di LPZ)

Lo standard IEC 62305 introduce il concetto di zone di protezione dai fulmini (LPZ). Pensate all'edificio come a una serie di scatole annidate, in cui ogni strato offre una maggiore protezione. L'obiettivo è installare un SPD al confine di ogni zona di transizione per ridurre progressivamente l'energia di sovratensione.

Il concetto di zona di protezione dai fulmini (LPZ), che mostra il posizionamento degli SPD ai confini della zona.

• LPZ 0: All'esterno dell'edificio, esposto a fulmini diretti e all'intero campo elettromagnetico.
• LPZ 1: L'area appena all'interno dell'edificio, dopo il primo dispositivo di protezione (SPD di tipo 1).
• LPZ 2: In profondità nell'edificio, dopo un dispositivo di protezione secondario (SPD di tipo 2).
• LPZ 3: L'area immediatamente circostante un dispositivo sensibile, protetta da un dispositivo finale (SPD di tipo 3).

Fase 2: L'albero decisionale per la selezione dell'SPD

Utilizzate questo semplice albero per guidare il vostro processo di selezione.

Fase 3: Quattro controlli chiave dell'installazione

Ho visto sistemi SPD da migliaia di dollari resi inutilizzabili da un'installazione approssimativa. La fisica non perdona. Seguite religiosamente queste regole.

1. Posizione corretta: Posizionare l'SPD il più vicino possibile al pannello o all'apparecchiatura da proteggere.
2. Lunghezze ridotte: Questo è il la regola di installazione più importante. I fili che collegano l'SPD alle fasi e alla barra di terra del pannello aggiungono induttanza. Ogni centimetro di filo aumenta la tensione di passaggio durante una sovratensione rapida. La tensione aggiunta può essere di centinaia di volt per metro! Suggerimento: mantenete assolutamente la lunghezza del guinzaglio al di sotto di 0,5 metri (circa 20 pollici). Attorcigliare i fili di fase e di terra per ridurre il loop induttivo.
3. Messa a terra solida: Il compito dell'SPD è quello di deviare l'energia verso il terreno. Se il sistema di messa a terra è scadente (alta resistenza), l'energia non può andare da nessuna parte e l'SPD non può svolgere il suo lavoro. Assicurarsi di avere un unico riferimento di terra a bassa impedenza.
4. Protezione adeguata dalle sovracorrenti: Gli SPD devono essere collegati tramite un interruttore automatico o un fusibile. Questo NON serve a proteggere l'SPD dalle sovratensioni, ma a scollegarlo in modo sicuro dalla fonte di alimentazione nel raro caso di un guasto a fine vita, evitando un rischio di incendio. Seguire sempre le raccomandazioni del produttore per le dimensioni di questo interruttore.

Domande frequenti (FAQ)

1. Posso semplicemente installare un SPD di tipo 3 (come una ciabatta) e saltare quelli più grandi?
No. Si tratta di un errore comune e costoso. Un dispositivo di tipo 3 è progettato solo per gestire piccole sovratensioni residue. Una sovracorrente di grandi dimensioni proveniente dalla rete elettrica o da un fulmine nelle vicinanze lo distruggerà e probabilmente anche le apparecchiature ad esso collegate. Ha bisogno dei dispositivi di tipo 1 e 2 a monte per ridurre la sovracorrente a un livello gestibile.

2. Come faccio a sapere se il mio limitatore di sovratensione deve essere sostituito?
La maggior parte dei moderni SPD a pannello (tipo 1 e 2) è dotata di una spia di stato o di un indicatore meccanico. Il colore verde indica che il dispositivo funziona; il rosso, lo spento o un colore diverso indicano che la protezione è stata compromessa e che l'unità deve essere sostituita. Alcuni sistemi avanzati dispongono anche di contatti di monitoraggio remoto che possono essere collegati al sistema di gestione dell'edificio.

3. Qual è la differenza tra un limitatore di sovratensione e un interruttore automatico?
Un interruttore automatico protegge da sovracorrente-Una condizione in cui il sistema assorbe troppa corrente per un periodo prolungato (ad esempio, un cortocircuito o un motore sovraccarico). Si tratta di un dispositivo magnetotermico ad azione lenta. Un SPD protegge da sovratensione-un picco di tensione estremamente rapido e di breve durata. Hanno due funzioni di protezione completamente diverse, ma ugualmente importanti.

4. Un limitatore di sovratensione protegge le mie apparecchiature da un fulmine diretto?
Nessun dispositivo può offrire una protezione 100% da una scarica diretta sulla struttura stessa. Un sistema di protezione contro i fulmini (LPS) installato correttamente gestisce l'impatto diretto. Un SPD di tipo 1 è progettato per gestire la corrente immensa che viene condotti sulle linee elettriche da che colpiscono. Sono due parti di un sistema completo.

5. Un valore di kA più alto è sempre migliore?
Fino a un certo punto. Un valore nominale kA più elevato (per Iimp o In) significa che il dispositivo è in grado di gestire più energia di sovratensione o più eventi di sovratensione nel corso della sua vita, quindi in genere indica un dispositivo più robusto e duraturo. Tuttavia, una volta ottenuto un valore di kA adeguato per il livello di esposizione, un valore più basso è in grado di gestire un numero maggiore di sovracorrenti. Tensione nominale di protezione (VPR) o superiore diventa il fattore più critico per la protezione dei dispositivi elettronici sensibili.

6. Perché la lunghezza dei cavi di installazione è così importante?
Induttanza. Ogni centimetro di filo presenta un'induttanza, che resiste a una rapida variazione di corrente (come un picco). Questa resistenza crea una caduta di tensione lungo il filo. Durante una sovracorrente, questa tensione si aggiunge alla tensione di bloccaggio dell'SPD, aumentando la tensione totale percepita dall'apparecchiatura. I fili corti e dritti riducono al minimo questa tensione aggiuntiva.

7. Ho bisogno di SPD in un'area con temporali poco frequenti?
Sì. Ricordate che le sovratensioni vengono generate internamente fino a 80%. Ogni volta che un motore, un compressore o un VFD si attiva, si crea una piccola sovracorrente. Anche la commutazione della rete elettrica avviene ovunque. Questi eventi causano danni cumulativi che riducono la durata e l'affidabilità delle risorse elettroniche.

8. Posso installare da solo un SPD a pannello?
A meno che non siate un elettricista qualificato e autorizzato, non dovreste farlo. L'installazione comporta il lavoro all'interno di quadri elettrici sotto tensione o potenzialmente sotto tensione, il che è estremamente pericoloso. Per sicurezza, conformità ed efficacia, rivolgetevi sempre a un professionista.

Conclusione: Dovete quindi inserire gli SPD in ogni pannello?

Torniamo alla domanda iniziale. La risposta non è quella di mettere alla cieca un SPD su ogni ma per installare un pannello SPD scelti strategicamente in ogni punto di transizione critico dell'impianto elettrico.

Ciò significa che:

1. Iniziando con un dispositivo di tipo 1 a forza bruta all'ingresso di servizio per gestire le onde di marea provenienti dall'esterno.
2. Aggiunta di dispositivi di tipo 2 ai pannelli di distribuzione chiave che alimentano macchinari sensibili o critici per gestire le onde agitate all'interno.
3. Finitura con dispositivi di precisione di tipo 3 per proteggere le apparecchiature di controllo, dati e microprocessori più vulnerabili.

Comprendendo la differenza tra le SPD di tipo 1 vs. tipo 2 vs. tipo 3 dibattito, scavando nella confronti tra materiali Se si utilizzano MOV, GDT e altre tecnologie e si implementa una strategia di protezione dalle sovratensioni coordinata e a più livelli, progettata con cura e installata con precisione, è possibile trasformare una storia di guasti catastrofici in un non-evento. Le luci potrebbero sfarfallare, ma i vostri sistemi critici rimarranno in funzione e potrete dormire sonni tranquilli fino alla prossima tempesta.