Protezione dei trasformatori contro le sovratensioni: come selezionare i paraschermi per fulmini e sovratensioni da manovra

Un caposquadra di un’azienda di servizi pubblici nella parte meridionale di Luzon ci ha inviato via e-mail, lo scorso agosto, una fotografia di un’installazione che appariva perfettamente normale il giorno della messa in servizio: un trasformatore da 13,8 kV su basamento, un nuovo arrestatore in polimero montato sul suo supporto, vernice fresca. Due dettagli non erano previsti nelle specifiche originali: quattro piedi di cavo di piombo avvoltolato tra il terminale dell’arrestatore e il serbatoio, e un conduttore di terra instradato nuovamente attraverso il supporto di fissaggio anziché direttamente verso il piazzale di terra. Tre settimane dopo, un fulmine ha colpito l’alimentatore. L’arrestatore è sopravvissuto senza alcun segno visibile; il circuito primario, invece, no.

Cosa fa un arrestatore di sovratensione — e cosa non può fare

Moderno protezione del trasformatore contro le sovratensioni lo schema si basa su un varistore in ossido metallico privo di interruzione. Al di sotto della sua tensione di riferimento, il varistore si comporta come un circuito aperto e assorbe correnti nell’ordine dei microampere. Al di sopra di tale soglia, la resistenza crolla, l’arrestatore devia la corrente di sovratensione a terra e ritorna rapidamente a uno stato ad alta impedenza ben prima del semiperiodo successivo. IEEE C62.11-2020 definisce il dispositivo stesso, comprendendo gli arrestatori a ossido metallico per circuiti da 48 a 62 Hz superiori a 1.000 V che limitano i sovratensioni da fulmine e da manovra deviando la corrente di scarica e quindi limitando automaticamente il flusso della corrente di alimentazione del sistema. Si tratta di una norma attiva, pubblicata nel settembre 2020.

L’arrestatore non assorbe il sovratensione. Lo blocca. Ciò che il winding effettivamente subisce è la tensione di scarica dell’arrestatore. - Più la tensione che il sovratensione sviluppa lungo il cavo di collegamento tra il terminale dell’arrestatore e il punto che esso protegge. Entrambi i termini sono reali. Solo il secondo può ancora essere modificato con una chiave il giorno dell’installazione.

Un arrestatore scelto in modo perfetto può comunque essere applicato in modo scorretto. La selezione e il collegamento sono due attività distinte, e gli acquirenti delegano di solito solo una delle due.

 

 

La protezione contro le sovratensioni dei trasformatori inizia con la MCOV, non con la tensione nominale in kV

La maggior parte delle richieste di offerta (RFQ) che arrivano alla nostra scrivania tecnica specifica un arrestatore in base alla tensione nominale: «un arrestatore da 10 kV», «un arrestatore da 18 kV». Questo valore indica la classe di servizio, e da solo dice quasi nulla riguardo alla compatibilità dell’unità con il vostro sistema. Il valore che determina l’applicazione è MCOV : la tensione massima di esercizio continuo, ovvero la massima tensione efficace (RMS) che l’arrestatore può sopportare ai propri morsetti indefinitamente senza surriscaldarsi.

La tensione massima continua (MCOV) è determinata dal collegamento a terra del sistema, non dal trasformatore. In un sistema con messa a terra efficace, il parafiamma è sottoposto, in condizioni normali di funzionamento, alla tensione di fase verso terra; pertanto, il requisito corrisponde esattamente alla massima tensione di fase verso terra: 7,65 kV in un sistema da 12,47 kV con messa a terra multipla. In un sistema isolato o con messa a terra tramite impedenza, un guasto di fase verso terra fa sì che le fasi non guaste raggiungano quasi l’intera tensione di fase-fase; di conseguenza, la regola prevede un valore di MCOV pari almeno al 90 % della massima tensione di fase-fase. Lo stesso trasformatore, la stessa classe di tensione, ma due parafiamma molto diversi.

Tensione di linea-linea del sistema (kV, nominale)	MCOV del parafiamma — sistema con messa a terra efficace (kV)	MCOV del parafiamma — sistema con messa a terra tramite impedenza o isolato (kV)
4.16	2.55	5.10
12.47	7.65	15.30
13.80	8.40	15.30
24.94	15.30	29.00
34.50	22.00	Non consigliato

Questi valori provengono dai dati applicativi per parafiammi pubblicati da Hubbell Power Systems e corrispondono a quanto osservato nei sistemi di distribuzione nordamericani ( Hubbell Catalog 70, Surge Arresters la conseguenza pratica va enunciata chiaramente. Se una specifica indica "sistema non collegato a terra", ma il sistema è in realtà un sistema a quattro fili con messa a terra multipla, si acquista circa il doppio della tensione massima continua (MCOV) necessaria — e ciò comporta un costo aggiuntivo in termini di tensione di scarica più elevata, esattamente il valore che si intendeva mantenere basso.

Un ulteriore rapporto risulta utile durante la lettura di un foglio tecnico: la tensione nominale di un parafiamma è generalmente pari a circa 1,25 volte la sua MCOV. È per questo motivo che un parafiamma per distribuzione da 10 kV ha un valore di MCOV di circa 8,4 kV e che entrambi i valori variano in modo coordinato quando si modifica l’ipotesi di messa a terra sullo stesso trasformatore.

 

Lunghezza dei cavi di collegamento, messa a terra e margine di protezione effettivamente rilevante

Ecco la parte che la maggior parte degli acquirenti trascura. Ogni piede di cavo di collegamento tra il parasurtore e l’equipaggiamento da proteggere aggiunge tensione all’isolamento durante un sovratensione, poiché la corrente deve percorrere tale distanza e tornare indietro. La guida applicativa IEEE per i parasurtori a ossido metallico indica 1,6 kV per piede a 10 kA, e lo standard di approvazione FM DS 5-11 per la protezione da fulmini e sovratensioni degli equipaggiamenti elettrici utilizza lo stesso valore.

Lunghezza del cavo di collegamento del parasurtore (ft)	Tensione aggiunta a 10 kA (kV)	Percentuale di un avvolgimento con BIL di 95 kV
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

IL margine di protezione è il calcolo aritmetico che collega tutti questi elementi. Si prenda il BIL dell’avvolgimento, si sottragga la tensione di scarica del parasurtore e il contributo del cavo di collegamento, quindi si divida il risultato per il BIL. Su un trasformatore di distribuzione da 13,8 kV, il livello standard di isolamento primario è un BIL di 95 kV e il margine minimo raccomandato margine di protezione è del 20 percento. Un cavo di collegamento di 10 ft assorbe 16 kV di quei 95 kV — quasi l’intero margine raccomandato, ancor prima di considerare anche un solo kV della tensione di scarica del parasurtore.

Il collegamento a terra fallisce nello stesso modo silenzioso. Il cavo di terra deve essere corto, dritto e separato dal supporto di fissaggio, collegandosi a una piastra dedicata collegata al serbatoio e alla rete di terra della stazione. Far passare il percorso di terra attraverso i componenti metallici del supporto fissato con viti introduce un giunto che si corrode, si allenta e aggiunge impedenza proprio nel momento in cui arriva la sovratensione. NFPA 780 , lo Standard per l’installazione dei sistemi di protezione contro i fulmini, è l’edizione attuale 2026 ed è la norma di riferimento utilizzata dalla maggior parte degli ispettori nordamericani. Leggerla prima di approvare un layout, non dopo un guasto.

 

Scelta della classe corretta di parasurtore per il trasformatore che si sta acquistando

I parasurtori sono classificati in base all’energia di sovratensione e alla corrente di guasto che devono sopportare, e la classe scelta deve rispecchiare la criticità dell’equipaggiamento posto a valle — non le dimensioni dell’ordine d’acquisto.

Classe di parasurtore	Applicazione tipica	Note sulla selezione
Distribuzione	trasformatori di distribuzione da 12,47 a 34,5 kV, unità installate su basamento, pali di risalita	corrente nominale di scarica di 10 kA. La versione standard è adatta a linee rurali leggermente caricate; la versione rinforzata va utilizzata quando l’apparecchio è esposto oppure la linea è particolarmente lunga.
Intermedio	Piccole cabine elettriche, quadri di media tensione, trasformatori di potenza superiore a 5 MVA	Capacità energetica superiore alla classe distributiva. Utilizzata quando le apparecchiature da proteggere sono costose e il rischio di sovratensione è elevato.
Stazione	Trasformatori di classe trasmissione e cabine elettriche critiche	Massima capacità energetica e resistenza alle correnti di cortocircuito. Il comportamento in caso di sollecitazione di pressione e i requisiti di coordinamento sono esplicitamente definiti nella norma IEEE C62.11.

Nei trasformatori di tipo pad-mounted in Nord America, il paraschermo è normalmente fissato al serbatoio mediante una staffa e un coperchio dedicati, mentre il conduttore di terra è collegato a una piastra saldata sulla parete del serbatoio. Questo non è un elemento decorativo: rappresenta il percorso più breve possibile dalla base del paraschermo all’acciaio messo a terra ed è l’unico percorso che mantiene il contributo dell’elemento di collegamento entro i limiti calcolati dai nostri ingegneri in fase di preventivazione.

 

Tre problemi ricorrenti relativi ai paraschermi che osserviamo frequentemente sul campo

Chiediamo fotografie dell'installazione esistente prima di fornire un preventivo per un'unità di sostituzione, e continuano a ricomparire sempre gli stessi tre schemi.

• Cavo di collegamento avvolto o a spirale. Un team che impugna 6 piedi di cavo di collegamento e ne necessita 18 pollici ne avvolgerà ordinatamente il resto lungo il serbatoio. Ogni spira aggiunge induttanza e tensione. Accorciare il cavo; non riordinarlo.
• Percorso di terra attraverso la staffa di montaggio. È veloce, ma è errato. I bulloni della staffa non costituiscono un conduttore di terra nel giorno dell'installazione, né lo diventeranno dopo due inverni in un cantiere costiero.
• Parafolgori dimensionato in base alla potenza nominale in kVA del trasformatore anziché alla messa a terra del sistema. La potenza nominale in kVA dell'unità non influenza il valore di MCOV. A influenzarlo è invece la configurazione di messa a terra, indicata chiaramente come risposta monoriga sul disegno.

Un ulteriore guasto si nasconde nel primo. Un arrestatore di sovratensione con sezionatore esterno staccherà il suo conduttore se l’arrestatore va in cortocircuito, ed è esattamente ciò che si desidera — ma il sezionatore richiede un interruzione d’aria che deve rimanere libera. Abbiamo aperto armadi nei quali un singolo filo o un nido d’insetti costruito nell’arco di una stagione avevano chiuso tale interruzione. L’arrestatore era ancora presente. Semplicemente non proteggeva più nulla.

 

Come integriamo la protezione contro le sovratensioni in ogni ordine di trasformatori

Ryan Electric produce trasformatori dal 2007 e, dal 2023, opera come partner di joint venture di Eaton. Nello stabilimento di Danyang — 120.000 metri quadrati, oltre 180 insiemi di attrezzature per produzione e collaudo, 37 brevetti — la sala prove dielettriche esegue sia le prove di routine richieste dalle specifiche del progetto sia le prove ad impulso sui progetti che ne necessitano, e il valore BIL riportato sulla targhetta è il livello al quale il progetto è stato qualificato.

Quando un ordine include parafulmini, dimensioniamo la tensione massima continua (MCOV) in base al tipo di messa a terra del sistema fornito, elenchiamo nella lista dei materiali il supporto di montaggio e il coperchio, e saldiamo una piastra di messa a terra affinché l'installatore disponga di un punto di collegamento diretto, anziché di un semplice bullone comodo da utilizzare. Nei programmi UL e CSA, il supporto, la piastra di messa a terra e il collegamento equipotenziale del serbatoio vengono esaminati come parte dell’insieme assemblato, non come accessori da installare sul campo.

 

Cosa inserire nella vostra richiesta di preventivo (RFQ) per la protezione contro le sovratensioni nei trasformatori

Quattro righe nella vostra richiesta di preventivo (RFQ) eviteranno revisioni successive, e nessuna di esse richiede più di un minuto per essere individuata sui disegni.

• Messa a terra del sistema: efficacemente messa a terra, messa a terra con impedenza, non messa a terra o a triangolo — oltre alla tensione massima di sistema, non solo a quella nominale.
• MCOV richiesta se già disponibile, e la classe di parafulmine che intendete specificare.
• Metodo di Montaggio: supporto sul serbatoio, traversa, all’interno dell’armadio o in un compartimento dell’interruttore.
• Lunghezza raggiungibile dei conduttori nella disposizione effettiva e dove verrà posizionata la piastra di messa a terra.

Inviare lo schema unifilare e il piano del sito con quelle quattro risposte, e provvederemo a indicare la scelta dello scaricatore, la sua tensione di scarica, il contributo delle connessioni e il risultante margine di protezione nel preventivo — in modo che la discussione avvenga su carta, sulla vostra scrivania, anziché in una cabina elettrica dopo un temporale. Contattare il team di ingegneria applicativa all’indirizzo [email protected] oppure aprire le pagine prodotto di trasformatori a immersione in olio e trasformatori a supporto basculante per richiedere supporto per il dimensionamento relativo a un progetto specifico.

 

Sull'autore

Questo articolo è stato redatto dal team di ingegneria applicativa di Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), produttore di trasformatori impegnato in progetti di distribuzione, potenza ed energie rinnovabili per clienti utility, data center, industriali e infrastrutturali in tutto il mondo. I nostri ingegneri definiscono la scelta degli scaricatori, il coordinamento dell’isolamento e i dettagli di messa a terra negli stessi progetti sottoposti a collaudo nel nostro laboratorio di prova di Danyang. Per domande relative alla scelta della tensione massima continua (MCOV) o al margine di protezione per un progetto specifico, scrivere a [email protected].