Gli scaricatori servono in primo luogo a proteggere gli apparecchi collegati a valle. Inoltre riducono il rischio di danneggiamento dei conduttori.

La scelta di uno scaricatore dipende tra l’altro dalle seguenti considerazioni:

• zona di protezione contro i fulmini nel luogo di installazione, se pertinente
• energie da scaricare
• disposizione dei dispositivi di protezione
• immunità ai disturbi degli apparecchi finali
• modalità di protezione trasversale (differenziale) e/o longitudinale (modo comune)
• requisiti di sistema, p. es. parametri di trasmissione
• corrispondenza con norme specifiche di prodotto o applicazione, se richiesto
• adattamento alle condizioni dell’ambiente e di installazione

I dispositivi di protezione per i cavi delle antenne si distinguono in base alla loro idoneità per sistemi coassiali, simmetrici o a guida d’onda, a seconda dell’esecuzione fisica del cavo d’antenna.
Per sistemi coassiali e a guida d’onda, il conduttore di fase può essere collegato direttamente al sistema equipotenziale. Per questo scopo possono essere utilizzati manicotti di messa a terra specificamente adattati al rispettivo cavo.

Procedura di selezione e installazione degli scaricatori in base all’esempio di BLITZDUCTOR XT

Contrariamente a quanto avviene per la scelta dei dispositivi di protezione nei sistemi di alimentazione (vedere capitolo 8.1), dove nel campo 230/400 V si possono prevedere condizioni uniformi di tensione e frequenza, nei sistemi di automazione, comando e misura, i segnali presenti differiscono invece per:

• tensione (ad es. 0 – 10 V)
• corrente (ad es. 0 – 20 mA, 4 – 20 mA)
• tipo di trasmissione del segnale (simmetrico, asimmetrico)
• frequenza (DC, NF, HF)
• tipo di segnale (analogico, digitale).

Ognuna di queste grandezze elettriche del segnale può contenere l’informazione effettiva da trasmettere.
Perciò, negli impianti di controllo, misura e regolazione (CMR), il segnale non deve essere influenzato negativamente dagli scaricatori di corrente da fulmine o dai dispositivi di protezione contro le sovratensioni. In tale contesto devono essere osservati alcuni punti per la scelta dei dispositivi di protezione per impianti CMR. Nel seguito, questi punti sono descritti per i nostri dispositivi di protezione universali BLITZDUCTOR XT e sono illustrati in base alle applicazioni di esempio (Figura 8.2.1, Figura 8.2.2, Figura 8.2.3, Figura 8.2.4 e Tabella 8.2.1).

Marcatura dei moduli di protezione

Dati tecnici

Livello di protezione U_p

Il livello della tensione di protezione è il parametro del dispositivo di protezione da sovratensioni, che caratterizza l’efficienza a limitare la tensione ai suoi morsetti. Il valore del livello di protezione deve essere superiore al valore massimo delle tensioni residue misurate.
La tensione residua misurata è la tensione massima misurata ai morsetti del dispositivo di protezione da sovratensione quando quest’ultimo viene alimentato con correnti e/o tensioni impulsive a forme d’onda e ampiezza prestabilite.

Tensione di limitazione in caso di pendenza della forma d’onda della tensione di prova pari a 1 kV/μs

Questa prova serve per individuare le caratteristiche di innesco degli scaricatori a gas (GDT). Questi elementi di protezione possiedono una “caratteristica di commutazione”. Il principio di funzionamento di un GTD può essere paragonato a quello di un interruttore la cui resistenza può “automaticamente” passare da valori > 10 GΩ (spento) a valori < 0,1 Ω (acceso) quando viene superato un certo valore di tensione, in modo che la sovratensione applicata sia quasi in cortocircuito. Il valore di tensione che provoca l’intervento del GDT dipende dalla velocità di salita della forma d’onda di tensione in arrivo (du/dt).
In generale, maggiore è il rapporto du/dt maggiore sarà la tensione di innesco dello scaricatore a gas. Per confrontare i valori di scarica dei diversi tubi a scarica di gas, viene applicata agli elettrodi dei tubi stessi una tensione con un fronte di salita di 1 kV/μs, per determinare la tensione di scarica dinamica (Figura 8.2.5 e Figura 8.2.6.).

Tensione di limitazione in caso di correnti di scarica nominale

Questa prova serve per l’individuazione del comportamento degli elementi di protezione con caratteristica a limitazione costante (Figura 8.2.7 e Figura 8.2.8).

Corrente di carico nominale I_L

La corrente nominale del BLITZDUCTOR XT caratterizza il funzionamento ammissibile del circuito di misura da proteggere La corrente nominale del dispositivo BLITZDUCTOR CT viene determinata dalla corrente sopportabile e dall’energia dissipata dalle impedenze utilizzate per il disaccoppiamento tra i tubi scaricatori a gas e gli elementi di protezione fine, nonché dalla capacità di estinzione della corrente susseguente da parte dei tubi scaricatori a gas. La corrente nominale viene espressa come un valore in corrente continua (Figura 8.2.9).
Esempi di correnti massime nominali dei singoli moduli di protezione BLITZDUCTOR XT sono elencati nella Tabella 8.2.2.

Frequenza limite f_G

La frequenza di taglio descrive il comportamento dipendente dalla frequenza di uno scaricatore. La frequenza di taglio è la frequenza che provoca una perdita di inserzione (a_E) pari a 3 dB in determinate condizioni di prova (vedere IEC 61643-21 – CEI EN 61643-21 – CEI 37-6) (Figura 8.2.10). Se non diversamente specificato, tale frequenza specificata si riferisce ad un sistema a 50 ohm.

Criteri di scelta
1. Quale capacità di scarica è necessaria?

La capacità di scarico di BLITZDUCTOR XT dipende dall’attività protettiva dello scaricatore. Per semplificare la scelta vengono esaminati i casi da a fino a d.

Caso a

In questo caso, l’apparecchio utilizzatore da proteggere si trova in un edificio dotato di protezione antifulmine esterna, oppure sul tetto dell’edificio sono presenti delle costruzioni metalliche soggette a rischio di fulminazione (ad es. pali di antenne, impianti di condizionamento). Il cavo del sistema di comando, controllo e misura (CMR) o il cavo di telecomunicazione che collega l’apparecchio utilizzatore (Figura 8.2.11) a un trasduttore sul campo, è installato all’esterno dell’edificio.
Dato che l’edificio è dotato di un sistema di protezione contro i fulmini, deve essere installato uno scaricatore di corrente di fulmine Tipo 1. Per questo scopo possono essere utilizzati gli scaricatori di corrente di fulmine o gli scaricatori combinati (Tipo 1) della famiglia BLITZDUCTOR XT.

Caso b

Il caso b è simile al caso a, tuttavia l’edificio in cui si trova l’apparecchio utilizzatore da proteggere non è dotato di protezione antifulmine esterna: in tal caso, non è prevedibile il verificarsi di correnti di fulmine dirette. Uno scaricatore di corrente di fulmine Tipo 1 deve essere installato solo se il cavo di comando e misura può essere influenzato da un fulmine che colpisce gli edifici adiacenti, vale a dire se il cavo trasporta corrente di fulmine parziale.
Se questo può essere escluso, vengono impiegato dispositivi di protezione Tipo 2 (Figura 8.2.12).

Caso c

Nel caso c, all’esterno dell’edificio non è installato alcun cavo di controllo o telecomunicazioni. Malgrado l’edificio disponga di un LPS esterno, nell’impianto per telecomunicazioni non può essere indotta alcuna corrente da fulmine diretta. Pertanto, in questo caso vengono installati limitatori di sovratensione. Si possono anche usare gli scaricatori BLITZDUCTOR XT per la protezione degli apparecchi utilizzatori (Figura 8.2.13).

Caso d

La differenza tra caso d e caso c è che il rispettivo edificio non presenta un sistema di protezione contro i fulmini esterno e che all’esterno dell’edificio non è installato alcun cavo di controllo e telecomunicazioni. Pertanto, per proteggere i dispositivi vanno installati solo limitatori di sovratensione. Come nei casi b e c, possono essere utilizzati gli scaricatori della famiglia BLITZDUCTOR XT (Figura 8.2.14).

2. Quali fenomeni di interferenza vanno prevenuti?

Le interferenze sono sostanzialmente classificabili in disturbi longitudinali (modo comune) e disturbi trasversali (differenziali). I disturbi longitudinali (modo comune) si verificano sempre tra il conduttore di segnale e il conduttore di terra, mentre i disturbi trasversali (difapparecchio ferenziali) si verificano esclusivamente tra due conduttori di segnale. La maggior parte delle interferenze nei circuiti di segnale è costituita da disturbi di modo comune. Pertanto tra il conduttore di segnale e la massa vanno scelti i dispositivi di protezione con limitazione fine della sovratensione (tipo …E). Alcuni stadi di ingresso di dispositivi, come i trasformatori di isolamento, non richiedono una limitazione fine della sovratensione tra segnale e massa. In questo caso, solo gli scaricatori a gas offrono una protezione contro disturbi longitudinali. A causa delle diverse caratteristiche di intervento, gli scaricatori a gas possono trasformare, dopo l’intervento, dei disturbi trasversali in longitudinali. Pertanto, in questo caso, un elemento di protezione fine viene integrato tra i conduttori di segnale (tipo …D).

3. Esistono dei requisiti speciali per la protezione posta in corrispondenza del circuito di ingresso dell’apparecchio da proteggere?

A volte può essere necessario proteggere gli ingressi degli apparecchi contro i disturbi longitudinali (modo comune) e trasversali (differenziali). Gli stadi di ingresso dei dispositivi elettronici che necessitano di una protezione sono normalmente dotati di un proprio circuito di protezione o contengono degli ingressi dotati di fotoaccoppiatore per isolare il potenziale del circuito di segnale dal circuito interno del dispositivo di automazione. Ciò richiede ulteriori misure per separare il dispositivo BLITZDUCTOR XT dal circuito di ingresso del dispositivo da proteggere. A tal fine sono utilizzati ulteriori elementi di disaccoppiamento tra elementi di protezione fine e i terminali di uscita del dispositivo BLITZDUCTOR XT.

4. Quanto è alta la frequenza del segnale da tras-mettere (o qual è la velocitá di trasmissione dati)?

Il circuito di protezione del dispositivo BLITZDUCTOR XT ha le caratteristiche di un filtro passa basso. La frequenza di taglio è la frequenza oltre la quale l’ampiezza del segnale da trasmettere viene attenuata più di 3 dB. Per mantenere la reattività del BLITZDUCTOR XT rispetto al sistema di trasmissione entro limiti ammissibili, la frequenza del segnale nel circuito deve essere inferiore alla frequenza di taglio superiore del BLITZDUCTOR XT. L’indicazione della frequenza limite si riferisce a segnali sinusoidali. Tuttavia, nel settore della trasmissione dati raramente i segnali sono sinusoidali. In questo caso occorre accertarsi che la velocità massima di trasmissione dati del BLITZDUCTOR XT sia maggiore della velocità di trasmissione del circuito di segnale. Per trasmettere segnali di forma impulsiva, per i quali viene valutato il fronte di salito/discesa, si deve considerare che questi fronti commutano da L ad H o H a L entro un certo periodo di tempo. Questo intervallo di tempo è importante per l’individuazione del fronte e per l’attraversamento della “zona vietata”. Pertanto, questo segnale richiede una larghezza di banda di frequenza che è significativamente più ampia dell’onda fondamentale. Così, la frequenza di taglio per il dispositivo di protezione deve essere fissata a un valore corrispondentemente elevato. Come regola generale, la frequenza di taglio superiore deve essere almeno cinque volte la frequenza di base.

5. Quanto è grande la corrente di esercizio del sistema da proteggere?

In base alle caratteristiche elettriche degli elementi utilizzati nel circuito di protezione del BLITZDUCTOR XT, viene limitata la corrente del segnale trasmesso dal dispositivo di protezione. In pratica, questo significa che la corrente di esercizio del sistema deve essere inferiore o uguale alla corrente di carico nominale del dispositivo di protezione. In questo contesto, vanno considerate le eventuali correnti di corto circuito, limitandole con misure adeguate (ad esempio i prefusibili) nel circuito dell’impianto.

6. Qual è la tensione massima di esercizio che può verificarsi nel sistema da proteggere?

La tensione massima di esercizio nel circuito di segnale deve essere inferiore o uguale alla tensione massima continuativa di funzionamento U_c del BLITZDUCTOR XT, in modo che il dispositivo di protezione non abbia effetto limitante in condizioni normali di funzionamento.
La tensione massima di esercizio nel circuito di segnale è in genere la tensione nominale del sistema di trasmissione, considerando le tolleranze di sistema. In caso di circuiti a loop di corrente (ad es. 0-20 mA), si può prendere la tensione a circuito aperto come tensione massima di funzionamento.

7. Qual è il riferimento della tensione di esercizio massima?

Circuiti di segnale diversi richiedono diversi tipi di trasmissione del segnale (simmetrica/asimmetrica). Da un lato la tensione di esercizio del sistema può essere indicata come tensione filo/filo e dall’altro come tensione filo/terra. Di ciò bisogna tener conto nella scelta del dispositivo di protezione. A causa dei diversi circuiti degli elementi di protezione fine nel modulo BLITZDUCTOR XT vengono fornite tensioni nominali differenti. Questi sono indicati in Figura 8.2.4 e Tabella 8.2.1.

8. La commutazione delle impedenze di disaccoppiamento di BLITZDUCTOR XT per il circuito di segnale influenza la trasmissione del segnale?

Le impedenze di disaccoppiamento sono integrate al fine di coordinare gli elementi di protezione di BLITZDUCTOR XT. Si trovano direttamente nel circuito di segnale e pertanto possono avere un effetto su di esso. In particolare, nel caso di circuiti a loop di corrente, (0-20 mA, 4-20 mA), il carico massimo sul circuito di segnale può essere superato non appena BLITZDUCTOR XT entra in funzione, se il circuito del segnale opera già al massimo carico. Ciò deve essere preso in considerazione prima dell’installazione!

9. Che effetto protettivo è necessario?

In linea di principio, è possibile dimensionare il livello di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni in modo tale che sia inferiore al limite di distruzione di un’apparecchiatura per l’automazioneo le telecomunicazioni. Tuttavia, il problema con questo tipo di dimensionamento consiste nel fatto che il limite di distruzione di un apparecchio utilizzatore spesso non è noto. Pertanto è necessario usare altri criteri di confronto in questi casi. Come parte delle prove di compatibilità elettromagnetica (EMC), le apparecchiature elettriche ed elettroniche devono presentare una certa immunità nei confronti dei disturbi impulsivi trasmessi. I requisiti per queste prove e le impostazioni di prova sono descritti nella norma IEC 61000-4-5 (CEI EN 61000-4-5 – CEI 110-30). Sono definiti diversi livelli di prova per l’immunità alle interferenze impulsive nei vari dispositivi elettromagnetici utilizzati in diverse condizioni ambientali. Queste classi di immunità sono classificate da 1 a 4, considerando che il livello di prova 1 comprende i requisiti minimi di immunità ai disturbi (sugli apparecchi da proteggere), mentre il livello di prova 4 garantisce i massimi requisiti di immunità ai disturbi dell’apparecchio stesso.
Ai fini dell’effetto di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni, ciò significa che l’energia passante relativa al livello di protezione della tensione deve essere abbastanza bassa da non superare il livello di immunità del dispositivo da proteggere. Pertanto i prodotti della famiglia Yellow/Line sono stati suddivisi in classi SPD (Tabella 7.8.2.1) per facilitare l’installazione degli scaricatori per la protezione dei dispositivi di automazione. La prova di immunità alla sovratensione di questi dispositivi è stata presa come base per la determinazione dei simboli delle classi SPD. Se ad esempio una apparecchiatura di automazione viene collaudata con livello di prova 1, il dispositivo di protezione potrà avere una energia passante massima corrispondente solo a questo livello di disturbo. In pratica, ciò significa che le apparecchiature di automazione provate con un livello di tensione di prova 4 possono scaricare sovratensioni senza danneggiare l’apparecchiatura solo se l’uscita del dispositivo di protezione contro le sovratensioni ha un livello di protezione della tensione secondo prove di livello 1, 2, 3, o 4. Questo rende molto semplice per l’utente la scelta dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni adeguati.

10. Bisogna usare delle protezioni a uno o due stadi in un dato impianto?

A seconda dell’infrastruttura dell’edificio e delle esigenze di protezione risultanti dal concetto di zona di protezione contro i fulmini, può essere necessario installare scaricatori di corrente di fulmine e limitatori di sovratensione in modo che siano separati nello spazio o in alternativa posti in determinati punti dell’impianto per mezzo di scaricatori combinati. Nel primo caso viene installato come scaricatore di corrente di fulmine e limitatore di sovratensioni a monte un BLITZDUCTOR XT con un modulo per la protezione di tipo BXT ML … B. Se sono necessarie misure di protezione contro i fulmini e le sovratensioni nello stesso punto dell’impianto, si possono usare i dispositivi BLITZDUCTOR XT del tipo… BE…o BD.

Nota: i seguenti esempi mostrano la selezione dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni della famiglia BLITZDUCTOR XT con l’aiuto di 10 criteri di selezione (SC). Il risultato di ogni singola fase di selezione è illustrato nella colonna “risultato intermedio”. La colonna “risultato finale” mostra l’influenza del relativo risultato intermedio sul risultato finale.

Protezione da sovratensioni per impianti elettrici di misura della temperatura

La misurazione elettrica della temperatura media nei processi tecnologici è utilizzata in tutti i settori industriali. I campi di applicazione possono essere molto diversi: essi spaziano dalle preparazioni alimentari, alle reazioni chimiche, agli impianti di climatizzazione per edifici e ai sistemi di gestione degli edifici. Una caratteristica comune di questi processi è che il luogo dove il valore misurato viene acquisito è anche molto lontano dal luogo di visualizzazione ed elaborazione dei dati. A causa di questi lunghi cavi di collegamento, possono essere iniettate delle sovratensioni che non sono causate solo dalle scariche atmosferiche. Pertanto verrà descritto in seguito un possibile concetto di protezione contro le sovratensioni per misure di temperatura con un termometro a resistenza di tipo Pt 100. Il fabbricato nel quale si trova l’impianto di misura non possiede alcuna protezione contro i fulmini esterna.

La misurazione della temperatura avviene indirettamente attraverso la misurazione della resistenza elettrica. Il sensore Pt 100 ha una resistenza di 100 Ω a 0 °C. A seconda della temperatura, questo valore varia di circa 0,4 Ω/K. La temperatura viene rilevata mediante l’iniezione di una corrente costante di misura che provoca una caduta di tensione proporzionale alla temperatura sul termometro a resistenza. Al fine di evitare l’autoriscaldamento del termometro a resistenza per effetto della corrente di misura, questa corrente è limitata a 1mA. Si verifica quindi una caduta di tensione di 100 mV attraverso Pt 100 a 0 °C. La misurazione della tensione deve ora essere trasmessa nel luogo in cui i dati vengono visualizzati o elaborati (Figura 8.2.15). La configurazione a quattro conduttori è stata scelta come esempio dei vari modi per collegare un sensore di misura Pt 100 a un trasduttore di misura. Questo rappresenta il sistema di connessione ottimale per termometri a resistenza, ed elimina completamente l’influenza delle resistenze dei cavi e delle loro variazioni dipendenti dalla temperatura sul risultato della misura. La sonda Pt 100 viene alimentata in corrente. La variazione della resistenze della linea è compensata dalla variazione automatica della tensione di alimentazione. Se la resistenza non cambia, la tensione misurata Um rimane costante. Di conseguenza, il valore rilevato della tensione cambia solo modificando la resistenza, che varia in funzione della temperatura, e viene misurato (ad alta impedenza) dal trasformatore del trasduttore di misura. Con questa configurazione non è quindi necessaria alcuna compensazione di linea.

Nota: per adattare facilmente il sistema di misura della temperatura con i dispositivi di protezione contro le sovratensioni, sono installati gli stessi tipi di dispositivi di protezione contro le sovratensioni per le linee di alimentazione e quelle di misura. In pratica è possibile attribuire ad un dispositivo di protezione le relative coppie per alimentazione e la misurazione (Tabella 8.2.3).
La protezione contro le sovratensioni è richiesta anche per l’alimentazione a 230 V del trasduttore di misura Pt 100, nonché per la linea ad anello di corrente a 4…20 mA proveniente dal trasduttore di misura, ma non è mostrata qui per chiarezza.