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1 SOVRATENSIONI
Una sovratensione è una tensione ad andamento impulsivo conseguenza di uno o più fenomeni
fisici di natura elettromagnetica che provocano un repentino ed imprevisto innalzamento dei valori di
picco della tensione di rete, ben oltre i parametri nominali.
Nella figura 1 è riportato il tipico andamento di una sovratensione.
Figura 1
In generale esistono quattro tipi di sovratensioni raggruppabili in due categorie:
- Sovratensioni di origine interna:
a frequenza industriale;
di manovra;
- Sovratensioni di origine esterna:
dovute a scariche elettrostatiche;
di origine atmosferica.
In generale i disturbi dovuti a questo tipo di fenomeni possono manifestarsi sulle linee elettriche
con due differenti modalità:
in modo comune, tra conduttori attivi e terra;
in modo differenziale, tra i conduttori attivi.
In entrambi i casi, la conseguente scarica dielettrica può provocare la distruzione di componenti
elettrici e/o elettronici e interruzioni del servizio anche gravi.
Le loro principali caratteristiche sono descritte nella tabella 1 .
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Sovratensione Durata Rapidità del
fronte di risalita, o
frequenza
Smorzamento
in funzione della
distanza
A frequenza
industriale
Lunga (s) Frequenza di rete Nullo
Manovra Corta (s) Media
(da 1 a 200 kHz) Medio
Scariche
elettrostatiche
Molto corta
(ns)
Elevata (≈10 MHz) Molto forte
Atmosferiche Molto corta
(µs)
Molto elevata
(100 kV/µs) Forte
Tabella 1
Di seguito si illustreranno le due diverse categorie di sovratensioni sopra citate.
1.1 Sovratensioni di origine interna
Le sovratensioni di origine interna possono manifestarsi con forma d'onda sinusoidale a frequenza
Industriale, uguale a quella dei generatori stessi, oppure possono essere transitorie, legate a situazioni
di guasto o manovre con forme d'onda sinusoidale a frequenza superiore a quella di rete.
1.1.1 Sovratensioni a frequenza industriale
La caratteristica principale di queste sovratensioni è di avere frequenza uguale a quella di rete.
Esse possono scaturire da:
diminuzione improvvisa del carico che determina un aumento della tensione a valori fino al
130% , ed oltre, della tensione nominale, a causa della diminuzione della caduta di tensione
sulla linea e nei generatori;
guasto monofase franco a terra in una rete trifase a neutro isolato, a causa del quale la
tensione verso terra della fase soggetta a guasto si azzera, mentre quella delle due fasi
integre, al termine di un periodo transitorio, si porta al valore della tensione concatenata
nominale del sistema;
interruzione della continuità del neutro a seguito della quale si ha un aumento di
potenziale, spesso dannoso per gli apparecchi alimentati con tensione monofase, che
possono essere sottoposti ad una tensione prossima a quella concatenata;
contatto accidentale tra alta e bassa tensione che può essere causato da un contatto
accidentale tra una linea in alta tensione e una linea in bassa tensione o dal cedimento
dell'isolamento tra il primario e il secondario di un trasformatore1;
1
Per ovviare a tale tipo di guasto, nella rete in bassa tensione è prevista la messa a terra del neutro in modo che il
contatto tra i due sistemi a tensione diversa si tramuti in un guasto a terra rilevabile dai previsti sistemi di protezione.
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corrente susseguente degli spinterometri lato media tensione dovuta ad una eventuale
fulminazione ed intervento degli spinterometri lato MT, che implica la circolazione di una
corrente di fulmine verso terra per alcune frazioni di secondo, fino all’intervento delle
protezioni della stazione di alimentazione. Tale corrente provoca un incremento del
potenziale di terra della rete e un rischio di scarica fra gli apparecchi alimentati in bassa
tensione e collegati allo stesso impianto di terra degli spinterometri. La situazione descritta
si può avere anche nel caso di scarica tra media tensione e massa di un trasformatore
MT/BT con la massa del trasformatore collegata alla terra del neutro;
risonanza dovuta alla contemporanea presenza di componenti capacitive e componenti
induttive saturabili.
Le sovratensioni sopra descritte sono anche dette “temporanee” e la loro entità è indicata dalla
sigla UTOV (TOV è l’acronimo inglese di Temporary OverVoltages).
1.1.2 Sovratensioni di manovra
La caratteristica di queste sovratensioni è di avere un andamento oscillatorio smorzato del tipo
riportato in figura 2; esse sono associate a rapide modifiche della configurazione della rete elettrica.
Figura 2
Esse si possono manifestare al momento della chiusura o dell’interruzione di circuiti induttivi
producendo impulsi di notevole ampiezza e con tempi di salita molto brevi, a seguito dell’interruzione
di una corrente elevata da parte dei dispositivi di protezione (ad esempio in figura 3 è riportata l’onda
impulsiva ricorrente che simula la fusione di un fusibile), per commutazione di circuiti capacitivi
(essendo le reti elettriche induttive, la presenza di capacità porta ad avere un circuito risonante LC nel
quale le manovre portano a sovratensioni di tipo oscillatorio smorzato).
Affinché la tensione di terra dovuta alla corrente di guasto sul primario non si riveli pericolosa, l'impianto di terra
sulla bassa tensione deve essere opportunamente dimensionato. In un sistema in bassa tensione a neutro isolato si
rende indispensabile la presenza di scaricatori fra il centro stella e la terra o fra le fasi e la terra.
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Figura 3
1.2 Sovratensioni di origine esterna
Queste sovratensioni sono dovute a fenomeni elettrici che si sviluppano nell’atmosfera e vanno a
ripercuotersi sugli impianti, come nel caso delle sovratensioni dovute a cariche elettrostatiche ed alle
fulminazioni.
1.2.1 Sovratensioni dovute a scariche elettrostatiche
Le sovratensioni di origine elettrostatica si formano quando nubi cariche di elettricità transitano in
corrispondenza di linee elettriche; gli strati inferiori delle nuvole, caricate negativamente, richiamano
cariche positive sulla linea, per il fenomeno dell'induzione elettrostatica, simile a quello che si ha
nei condensatori. In condizioni normali le due cariche sono in equilibrio; quando invece la nube
scarica verso terra o verso un'altra nuvola, la carica sulla linea, rimasta libera, origina una
sovratensione che si propaga con forma d'onda impulsiva, nelle due direzioni, lungo i conduttori di
linea.
1.2.2 Il fenomeno della fulminazione
Ogni anno il territorio italiano è mediamente colpito da oltre un milione di fulmini. Per una superficie
di 301.336 km2, questo significa una densità media di fulmini al suolo di circa tre scariche per km2
ogni anno. L'effettiva densità dei fulmini dipende tuttavia in gran parte dalla conformazione orografica
del terreno.
Oggi in Italia è possibile determinare il punto di impatto di un fulmine con una precisione dell'ordine
di circa 500 m grazie al sistema di rilevamento dei fulmini SIRF (Sistema Italiano Rilevamento
Fulmini). A questo scopo, sul territorio italiano sono distribuite sedici stazioni di misurazione,
sincronizzate l’una con l'altra attraverso il segnale orario ad alta precisione del Global Positioning
System (GPS). Queste stazioni di misurazione registrano l'istante in cui l'onda elettromagnetica della
scarica del fulmine giunge in corrispondenza del rispettivo ricevitore. Il punto di impatto del fulmine
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viene calcolato in base alla differenza dei diversi tempi di rilevamento dell'onda elettromagnetica
registrati dai vari ricevitori ed alle conseguenti differenze di durata dell'onda elettromagnetica, a
partire dal punto di scarica del fulmine, in corrispondenza dei vari ricevitori. I dati così rilevati
vengono archiviati centralmente e messi a disposizione dell'utente.
In caso di temporale può accadere che le nuvole e il suolo si comportino come le armature di un
condensatore. L'aria è il dielettrico interposto tra queste enormi armature: esso è costituito da una
miscela di gas isolanti composta principalmente da azoto e ossigeno.
La rigidità dielettrica dell'aria, in base al valore del campo elettrico che si stabilisce tra cielo e terra,
può essere superata e si può verificare il fenomeno della fulminazione.
I temporali sono normalmente originati da particolari nubi di tipo cumuli-nembi, riconoscibili dalla
forma allungata a fianchi stretti e dal caratteristico colore scuro. La nascita di una nube temporalesca è
dovuta all'aria calda che dal terreno sale verso l'alto. L'aria ascendente, raggiunta una determinata
altezza, si porta ad una temperatura alla quale diventa satura di vapore acqueo che, condensando, dà
origine ad una nuvola. Il calore liberato dal processo di condensazione del vapore provoca un ulteriore
riscaldamento dell'aria che è spinta nuovamente verso l'alto (figura 4) .
Figura 4
Se l'aria è molto umida si ha la formazione di cumuli stratificati, che possono raggiungere uno
spessore di 12 km ad un'altezza da terra di circa 2 km. La turbolenza di queste correnti d'aria favorisce
la separazione delle gocce d'acqua che si sono formate. Alle alte quote, quando la temperatura dell'aria
scende al di sotto di 0 °C, le gocce d'acqua si trasformano in cristalli di ghiaccio. Sarebbero proprio gli
urti tra gocce d'acqua e cristalli di ghiaccio a generare le cariche elettriche negative e positive che si
formano nella nube. Le cariche elettriche di segno opposto che si sono formate si separano
posizionandosi in parte verso l'alto (cariche positive costituite dai cristalli di ghiaccio) e, in parte,
verso il basso della nube (cariche negative costituite dalle goccioline di acqua) (figura 5). E' da questo
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momento che nella nuvola si formano i primi lampi, che sono scariche elettriche dovute al
superamento della rigidità dielettrica della nube.
Figura 5
La rigidità dielettrica dell'aria che, in condizioni ambientali ideali, è di circa 3000 kV/m, può
abbassarsi notevolmente per la presenza di umidità e pulviscolo atmosferico. Anche l'intensità del
campo elettrico che, solitamente in condizioni di tempo sereno al suolo, è di circa 0,12 kV/m, può
essere superata a causa di un aumento della concentrazione di cariche elettriche nella nuvola e a terra.
In situazioni particolari con nubi elettricamente cariche questo valore può raggiungere i 15 kV/m e
può essere ulteriormente amplificato da elementi in rilievo rispetto al suolo.
I fulmini sono delle scariche elettriche che, nelle condizioni sopra descritte, si instaurano tra la
nube e la terra. Essi possono distinguersi in discendenti, quando hanno origine dalla nube, o
ascendenti, quando hanno origine da strutture a terra, positivi o negativi (figura 6).
Figura 6
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Tra i fulmini più diffusi vi è il fulmine discendente che, a causa dell'intenso campo elettrico e della
rarefazione dell'aria, potrebbe avere inizio dalla parte bassa della nube. Inizia con una saetta che si
propaga a zig-zag verso terra a sbalzi successivi di 30-50 m. La saetta, influenzata dall'azione del
campo elettrico, si carica di particelle elettriche e favorisce la formazione di un canale ionizzato di
forma ramificata. La scarica prosegue fino ad arrivare in prossimità del suolo. Il campo elettrico
diventa così elevato da favorire fenomeni di effluvio (o scintille) finché uno di questi (canale di contro
scarica della lunghezza di alcune decine di metri) non entrerà in contatto col canale discendente. Il
contatto tra il canale discendente e di contro scarica si manifesta come un arco elettrico molto
luminoso (scarica di ritorno). Inizia lo scambio di cariche elettriche tra le nubi e il suolo, mentre la
rapida espansione dell'aria provocata dall'energia termica generata dal fulmine favorisce la formazione
del tuono; seguono una serie di altri archi di minore intensità (archi susseguenti) finché il fenomeno
non si esaurisce.
1.2.3 Le correnti da fulmine
Per quanto riguarda gli oggetti colpiti da un fulmine, si è rilevato che i fulmini discendenti (nube-
terra) comportano una sollecitazione maggiore rispetto ai fulmini ascendenti (terra-nube). Alla base
dei calcoli delle misure di protezione contro i fulmini vengono pertanto considerati i parametri dei
fulmini discendenti. Ogni fulmine è composto da uno o più fulmini parziali, ciascuno caratterizzato da
correnti impulsive di durata inferiore a 2 ms e da correnti di lunga durata superiori a 2 ms. In figura 7
sono riportate le combinazioni possibili di fulmini parziali discendenti.
Figura 7
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Le correnti da fulmine composte da correnti impulsive e da correnti di lunga durata sono correnti
impresse, cioè gli oggetti colpiti non esercitano alcun effetto di ritorno sulle correnti da fulmine. Esse
sono caratterizzate da quattro parametri significativi per la tecnica della protezione contro i fulmini:
ampiezza della corrente da fulmine i;
pendenza di/dt del fronte d'onda della corrente da fulmine;
carica della corrente da fulmine Qfulmine, composta dalla carica della corrente impulsiva Qs e
dalla carica della corrente di lunga durata Qe;
energia specifica W/R della corrente da fulmine (essendo: W energia trasformata alla base
dell’arco ed R resistenza del conduttore percorso dalla corrente di fulmine).
Di seguito verrà data una descrizione dei parametri sopraelencati.
Ampiezza della corrente da fulmine
Le correnti da fulmine sono correnti indipendenti dal carico: una scarica del fulmine può essere
considerata come una fonte di corrente pressoché ideale che, attraversando una parte conduttrice,
provoca una caduta di tensione dovuta alla sua impedenza.
Se una corrente si forma in un unico punto su una superficie conduttrice omogenea, si crea un
gradiente di potenziale; è quello che si verifica quando un fulmine colpisce una zona di terreno
omogeneo (figura 8).
Figura 8
All'interno del gradiente di potenziale, si forma una tensione di passo potenzialmente pericolosa.
Pendenza del fronte d'onda della corrente da fulmine
La pendenza dell'aumento di corrente da fulmine i/t, che diventa effettiva durante l'intervallo t,
determina l'ampiezza delle tensioni indotte elettromagneticamente. Tali tensioni vengono indotte in
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tutti i circuiti di conduttori aperti o chiusi, che si trovano nelle vicinanze di conduttori attraversati dalla
corrente da fulmine.
Figura 9
La tensione rettangolare U indotta durante l'intervallo t in un circuito conduttore (figura 9) è data
da:
ܷ = ܯ ∙ ∆i/∆t essendo:
M la mutua induttanza del circuito
i/t la pendenza dell’aumento della corrente da fulmine.
Come precedentemente riportato, le scariche dei fulmini sono composte da un certo numero di
fulmini parziali. A seconda del momento in cui si verificano, all'interno di una scarica del fulmine si
distinguono la prima corrente impulsiva e le correnti impulsive susseguenti. La differenza principale
tra i due tipi di corrente impulsiva è che nel fulmine guida, poiché è necessaria la creazione di un
canale del fulmine, è presente una pendenza minore, mentre in quello susseguente, che invece trova un
canale già completamente conduttore, la pendenza aumenta. Pertanto per la stima della massima
tensione indotta in circuiti di conduttori viene utilizzata la pendenza di salita della corrente da fulmine
susseguente.
Carica della corrente da fulmine Qfulmine
La carica Qfulmine della corrente di fulminazione è composta dalla carica prodotta dalla corrente
impulsiva Qs e dalla carica prodotta dalla corrente di lunga durata Qe . La carica della corrente di
fulminazione ܳ௨ = ∫ ݅ ݀ݐ (figura 10) è determinante per la conversione di energia direttamente
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sul punto di abbattimento di un fulmine e in tutti gli altri punti in cui la corrente da fulmine, sotto
forma di arco elettrico, prosegue oltre un tratto di isolamento.
Figura 10
L'energia W trasformata alla base dell'arco elettrico risulta essere il prodotto della carica Q e della
differenza di potenziale ai capi dell’arco UA,K :
ܹ = ܳ ∙ ܷ,
Il valore UA,K in media è di alcune decine di volt ed è influenzato dall’intensità e dalla forma della
corrente.
La carica della corrente da fulmine provoca delle fusioni sui componenti del sistema di protezione
contro i fulmini che vengono colpiti direttamente dal fulmine.
Recenti ricerche hanno dimostrato che soprattutto la carica prolungata Qe della corrente di lunga
durata, a causa dell'azione prolungata dell'arco elettrico, è in grado di fondere o fare evaporare grossi
volumi di materiale.
Energia specifica della corrente da fulmine
L'energia specifica W/R di una corrente impulsiva è l'energia che la corrente impulsiva produce su
una resistenza di 1Ω. Essa è data da :
ܹ/ܴ = න ݅ଶ݀ݐ
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Tale energia è determinante per il riscaldamento dei conduttori attraversati dalla corrente impulsiva
da fulmine, così come per l'effetto della forza esercitata su tali conduttori.
Per quanto riguarda il calcolo del riscaldamento dei conduttori attraversati dalla corrente di
fulmine, si tiene conto che esso sia dovuto alle resistenze ohmiche dei componenti del sistema di
protezione contro i fulmini, nell’ipotesi di adiabaticità del fenomeno.
Nella tabella 2 sono riportati gli aumenti di temperatura di diversi materiali impiegati per la
protezione contro i fulmini e le loro sezioni in funzione dell'energia specifica:
Sezione [mm2]
Materiale W/R
[MJ/Ω] 4 10 16 25 50 100
2,5 - 564 146 52 12 3
In
cr
em
en
t
o
d
i
t
em
p
er
at
u
ra
[
K
] Alluminio 5,6 - - 454 132 28 7
10 - - - 283 52 12
2,5 - - 1120 211 37 9
Acciaio 5,6 - - - 913 96 20
10 - - - - 211 37
2,5 - 169 56 22 5 1
Rame 5,6 - 542 143 51 12 3
10 - - 309 98 22 5
Acciaio
inossidabile
2,5 - - - 940 190 45
5,6 - - - - 460 100
10 - - - - 940 190
Tabella 2
Le forze elettrodinamiche che nascono per effetto dell’attraversamento su conduttori paralleli della
corrente di fulmine sono valutabili con :
ܨ(ݐ) = ఓబ
ଶగ
∙ ݅
ଶ(ݐ) ∙
ௗ
essendo:
F(t) forza elettrodinamica
i corrente di fulmine
µ0 permeabilità magnetica dell’aria (4π• 10-7H/m)
l lunghezza del conduttore
d distanza tra i conduttori posizionati in parallelo
L'effetto della forza sui due conduttori è attrattivo in caso di direzione di corrente uguale, mentre in
caso di direzione di corrente opposta è repulsivo.
Anche nel caso di un solo conduttore piegato si verifica un effetto di forza sul conduttore stesso. In
tale caso la forza sarà proporzionale al quadrato della corrente nel conduttore piegato.
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