Perché utilizzare i parafulmini? Funzioni chiave e benefici

Funzione dei Parafulmini

Quando l'overvoltage indotto da un fulmine si propaga lungo le linee elettriche aeree verso una sottostazione o altri edifici, può causare flashover o addirittura perforare l'isolamento degli apparecchi elettrici. Pertanto, se un dispositivo di protezione, noto come parafulmine, è connesso in parallelo all'ingresso di energia dell'equipaggiamento (come mostrato nella Figura 1), si attiverà immediatamente quando l'overvoltage raggiunge il livello operativo preimpostato.

Il parafulmine scarica l'eccesso di energia, limitando l'impulso di tensione e proteggendo l'isolamento dell'equipaggiamento. Una volta che la tensione torna alla normalità, il parafulmine si ripristina rapidamente al suo stato originale, garantendo che il sistema possa continuare a fornire energia normalmente.

La funzione protettiva di un parafulmine si basa su tre prerequisiti:

• Coordinazione appropriata tra la caratteristica volt-second del parafulmine e quella dell'isolamento protetto.

• La tensione residua del parafulmine deve essere inferiore alla resistenza d'impulso dell'isolamento protetto.

• L'isolamento protetto deve trovarsi all'interno della distanza protetta dal parafulmine.

• Requisiti per i parafulmini:

• Non dovrebbe scaricare in condizioni operative normali, ma deve scaricare correttamente e in modo affidabile durante eventi di overvoltage.

• Deve avere capacità di autorecupero dopo lo scarico (ovvero, tornare allo stato ad alta impedenza ed estinguere la corrente seguente).

Parametri chiave dei parafulmini:

• Tensione continua di esercizio: La tensione di esercizio a lungo termine consentita. Dovrebbe essere uguale o superiore alla massima tensione fase-terra del sistema.

• Tensione nominale (kV): La massima tensione di breve durata a frequenza industriale consentita (conosciuta anche come tensione di spegnimento). Il parafulmine può operare e spegnere l'arco sotto questa tensione, ma non può sostenere un'esercizio a lungo termine a questo livello. È un parametro fondamentale per la progettazione, le caratteristiche e la struttura del parafulmine.

• Caratteristica di resistenza ai volt-secondi a frequenza industriale: Indica la capacità di un parafulmine a ossido metallico (ad esempio, ZnO) di sopportare gli overvoltage in condizioni specificate.

• Corrente di scarico nominale (kA): Il valore di picco della corrente di scarico utilizzata per classificare i rating dei parafulmini. Per sistemi fino a 220 kV, non dovrebbe superare i 5 kA.

• Tensione residua: La tensione che appare ai terminali del parafulmine quando è sottoposto a una corrente di impulso. Può essere compresa anche come la massima tensione che il parafulmine può sopportare durante un evento di scarico.

Tipi e Struttura dei Parafulmini

I tipi comuni di parafulmini includono quelli a valvola, a tubo, a gap protettivo e a ossido metallico.

(1) Parafulmini a Valvola

I parafulmini a valvola sono principalmente divisi in due categorie: a valvola convenzionale e a valvola soffiata magneticamente. Il tipo convenzionale include le serie FS e FZ; il tipo soffiato magneticamente include le serie FCD e FCZ.

I simboli nella designazione del modello stanno per:

• F – Parafulmine a valvola;

• S – Per sistemi di distribuzione;

• Z – Per sottostazioni;

• Y – Per linee di trasmissione;

• D – Per macchine rotanti;

• C – Con gap di scarico soffiato magneticamente.

Un parafulmine a valvola è costituito da gap scintillanti piatti in serie con dischi di resistenza a carburo di silicio (SiC) (blocco valvola), sigillati all'interno di un involucro in porcellana, con viti terminali esterne per l'installazione. La resistenza a carburo di silicio presenta caratteristiche non lineari: ha un'elevata resistenza sotto tensione normale, che diminuisce drasticamente durante l'overvoltage.

Sotto la tensione normale a frequenza industriale, i gap scintillanti rimangono non conduttori. Quando si verifica un overvoltage da fulmine, i gap scintillanti si rompono. La resistenza dei blocchi di SiC diminuisce significativamente, permettendo al corrente elevata del fulmine di fluire in sicurezza a terra. Dopo l'impulso, i blocchi di SiC presentano una elevata resistenza alla corrente di seguito a frequenza industriale, mentre i gap scintillanti interrompono questa corrente, ripristinando l'operatività normale del sistema. Questo comportamento on-off ricorda una "valvola"—aperta per la corrente del fulmine e chiusa per la corrente a frequenza industriale—da cui il nome "parafulmine a valvola".

(2) Gap Protettivi e Parafulmini a Espulsione (a Tubo)

I gap protettivi sono la forma più semplice di protezione dai fulmini. Solitamente realizzati in acciaio rotondo galvanizzato, consistono in un gap principale e un gap ausiliario. Il gap principale è configurato in forma angolare e montato orizzontalmente per facilitare l'estinzione dell'arco. Un gap ausiliario è connesso in serie sotto il gap principale per prevenire l'attivazione errata causata da oggetti estranei che cortocircuitano il gap. A causa della loro debole capacità di spegnimento dell'arco, i gap protettivi sono solitamente utilizzati in combinazione con dispositivi di ricomposizione automatica per migliorare l'affidabilità del fornitura di energia.

Il parafulmine a espulsione (a tubo) consiste in un gap scintillante ospitato all'interno di un tubo generatore di gas, formato da elettrodi a bacchetta e anello. Include sia gap interni che esterni. Il tubo del parafulmine è realizzato con materiali come resina fenolica rinforzata a fibra che producono grandi quantità di gas quando riscaldati. Quando si verifica un overvoltage da fulmine, entrambi i gap interni ed esterni si rompono, deviando la corrente del fulmine a terra. La successiva corrente a frequenza industriale crea un arco forte, che brucia la parete del tubo e genera gas ad alta pressione espulso attraverso l'estremità aperta, estinguendo rapidamente l'arco. Il gap esterno poi ripristina la sua isolazione, isolando il parafulmine dal sistema e consentendo il ripristino dell'operatività normale.

Poiché i parafulmini a espulsione si basano sulla corrente a frequenza industriale per generare gas per l'estinzione dell'arco, correnti di cortocircuito eccessive possono produrre troppo gas, superando la resistenza meccanica del tubo e causando la rottura o l'esplosione. Pertanto, i parafulmini a espulsione sono solitamente utilizzati in installazioni esterne.

(3) Parafulmini a Ossido Metallico (Ossido di Zinco) Senza Gap

Conosciuti anche come parafulmini varistore, questi sono un tipo moderno introdotto negli anni '70. In confronto ai tradizionali parafulmini a valvola a carburo di silicio, i parafulmini a ossido metallico senza gap non hanno gap scintillanti e utilizzano ossido di zinco (ZnO) invece di carburo di silicio. Sono costruiti con dischi di varistore ZnO sovrapposti con eccellenti caratteristiche non lineari di tensione-corrente: sotto la tensione normale a frequenza industriale, presentano una resistenza molto elevata, impedendo efficacemente la corrente di fuga; sotto l'overvoltage da fulmine, la loro resistenza diminuisce drasticamente, permettendo uno scarico efficiente della corrente d'impulso.

I parafulmini a ossido metallico offrono caratteristiche di protezione superiori, alta capacità di scarico, bassa tensione residua, dimensioni compatte e facile installazione. Sono ora ampiamente utilizzati per la protezione di apparecchiature elettriche ad alta e bassa tensione.

(4) Parafulmini a Ossido Metallico (Ossido di Zinco) con Gap

Questi consistono in dischi di resistenza ZnO collegati in serie con un gap scintillante all'interno di un involucro composito. L'unità del gap contiene solitamente due elettrodi a disco racchiusi in un anello ceramico. Sono adatti per sistemi neutri non effettivamente terra. Durante guasti monofase-terra o terrenamenti ad arco, possono verificarsi overvoltage transitori severi di lunga durata, che i parafulmini ZnO senza gap potrebbero non sopportare. I parafulmini ZnO con gap superano questo limite: sotto overvoltage moderati come guasti monofase-terra o terrenamenti ad arco a basso livello, il gap in serie rimane inattivo, isolando il parafulmine dal sistema.

Quando l'overvoltage supera una soglia, il gap scintilla, e le eccellenti caratteristiche non lineari dei blocchi ZnO limitano la tensione residua sul parafulmine. La corrente di seguito risultante è molto piccola e facilmente interrotta, fornendo una protezione isolante affidabile per trasformatori e altre apparecchiature.

Prove e Standard per i Parafulmini

(1) Misurazione della Resistenza Isolante

Utilizzare un ohmmetro da 2500 V o superiore. Per i parafulmini a 35 kV e oltre, la resistenza isolante dovrebbe essere non inferiore a 2500 MΩ; per quelli inferiori a 35 kV, non inferiore a 1000 MΩ.

(2) Misurazione della Tensione CC a 1 mA e Corrente di Fuga al 75% di Questa Tensione

Applicare una tensione continua al parafulmine. Man mano che la tensione aumenta, la corrente di fuga aumenta gradualmente. Registrare il valore di tensione quando la corrente raggiunge 1 mA. Quindi ridurre la tensione al 75% di questo valore e registrare la corrente di fuga, che non dovrebbe superare 50 μA.

(3) Corrente di Fuga CA sotto Tensione di Esercizio

Misurare la corrente totale, la corrente resistiva o la perdita di potenza sotto tensione di esercizio. I valori misurati non dovrebbero mostrare cambiamenti significativi rispetto ai valori iniziali. Se la corrente resistiva raddoppia, il parafulmine deve essere spento per ispezione.
Se la corrente resistiva aumenta al 150% del valore iniziale, il ciclo di monitoraggio dovrebbe essere adeguatamente abbreviato.

Queste prove possono rilevare difetti come l'ingresso di umidità o l'invecchiamento dei blocchi valvola del parafulmine, crepe superficiali e degradazione dell'isolamento.