Protezione contro le sovratensioni, impianti di terra e...

angelo.baggini@unibg.it

Seminario di Studi“La protezione degli impianti dalle sovratensioni, impianti di messa a terra e protezione catodica” - “Il nuovo regolamento dei prodotti da costruzione CPR»

Protezione contro le sovratensioni,impianti di terra e protezione catodica

Angelo Baggini

DISA Facoltà Ingegneria

Università degli Studi di Bergamo

Protezione contro le sovratensioni

06.2012 – Settima edizione

• 02.2013 – Errata Corrige

• 07.2013 – V1

• 08.2015 - V2

• 03.2017 – V3

• 05.2017 – V4

• 03.2019 – V5 *

Storia (recente) della CEI 64-8

* Progetto CEI C.1218 IP 31.5.18Pubblicazione: lotto febbraio, Entrata in vigore: 1 marzo 2019

Variante 5 CEI 64-8Contenuti

• Parte 5. Scelta ed installazione dei componenti elettrici

Capitolo 53 Dispositivi di protezione, sezionamento e

comando

– Sezione 534 Dispositivi per la protezione contro le

sovratensioni transitorie

• Parte 7. Ambienti ed applicazioni particolari

– Sezione 722 Alimentazione dei veicoli elettrici

• Parte 4. Prescrizioni per la sicurezza

Capitolo 44 Protezione contro le sovratensioni

– Sezione 443 Protezione contro le sovratensioni

di origine atmosferica o dovute a manovra.

CEI 64-8Parte 4. Prescrizioni per la sicurezzaCapitolo 44 Protezione contro le sovratensioniSezione 443 Protezione contro le sovratensioni di origine atmosferica o dovute a manovra.

• Permanenti

• Temporanee (> 1 ms)

• Transitorie (< 1 ms)

– Condotte

• Manovra (A)

• Fulminazione

– Indiretta linea aliment. (B)

– Diretta linea aliment. (C)

– Radiate

• Fulminazione

– Diretta struttura

– Indiretta struttura

Sovratensioni Classificazione

• origine interna

• > AT

• < contenuto energetico

• > frequenza accadimento

• invecchiamento precoce

• deterministiche

• origine esterna

• > BT

• > contenuto energetico

• < frequenza accadimento

• danni immediati

• probabilistiche

Apparecchiature elettronicheCause di danno

Forma d’ondaCaratterizzazione

Forma d’ondaCaratterizzazione e normalizzazione

10/350µs• I (V’) Fulminazione diretta• Elevato contenuto energetico

8/20µs• I (V’’) Fulminazione indiretta, manovra• Modesto contenuto energetico

1,2/50µs• V Fulminazione indiretta, manovra• Modesto contenuto energetico

SovratensioniAncora classificazione

MODO COMUNE

MODO DIFFERENZIALE

VR Categoria IV Categoria III Categoria II Categoria I

230/400 Vca* 6 kV 4 kV 2,5 kV 1,5 kV

1500 Vcc 15 kV** 10 kV** 8 kV** 6 kV**

Categorie di sovratensione e Tensione nominale di tenuta a impulso

CEI EN 60664-1

* Anche sistemi IT 220 V–240 V per tensione verso terra in caso di guasto di terra, **Allegato D IEC/TR 60664-2-1:2011, *** UW Forma d’onda V 1,2/50 µs

UW tensione nominale di tenuta a impulso

valore della tensione di tenuta ad impulso assegnato dal costruttore all’apparecchiatura o ad una sua parte, che caratterizza la capacità di tenuta specificata del suo isolamento in presenza di sovratensioni transitorie (1,2/50 µs)

Valutazione dei rischi

Le sovratensioni influiscono: • servizi di sicurezza, dispositivi assistenza medica? • gran numero di persone?***• servizi pubblici*, patrimonio culturale?• attività commerciali o industriali?**

Hai voglia di fare la valutazione del rischio?

Atmosferiche: CRL < 1000?

Protezione NON necessaria

Protezione necessaria

Manovra: compresenza di apparecchiature sensibili e componenti di impianto che generano sovratensioni (ad esempio motori, trasformatori, banchi di condensatori, ecc.?

CRL = f / (LP Ng)

• F = 1

• Ng** = 0,1 Td*

• LP = 2 LPAL + LPCL + 0,4 LPAH + 0,2 LPCH ≤ 1 km

• LPAL linea aerea BT

• LPCL linea cavo interrato BT

• LPAH linea aerea AT

• LPCH linea cavo interrato AT

Fino al primo dispositivo di protezione dalle sovratensioni

Livello di rischio calcolatoOrigine atmosferica - Articolo 443.5

Ambiente f

Ambiente rurale e suburbano 85 F

Ambiente urbano 850 F

Valutazione livello di rischio calcolatoOrigine atmosferica - Articolo 443.5

CRL = f / (LP Ng)

CRL ≥ 1000

Protezione NON necessaria

Protezione necessaria

CEI 64-8Parte 5. Scelta ed installazione dei componenti elettriciCapitolo 53 Dispositivi di protezione, sezionamento e comandoSezione 534 Dispositivi per la protezione contro le sovratensioni transitorie

SPDSurge Protection Device• Spinterometri• Varistori

1643-1

Caratteristica Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3

Classe di prova I II III

Forma d’onda 10/350 µs 8/20 µs 1,2/50 - 8/20 µs

Protezione V, I fulmine V indotte V indotte

Generalmente Spinterometro Varistore Varistore

Param. Caratt. IimpUcUp In ImaxUcUp Uoc

SPD Tipi e classi di prova

Forma d’onda 10/350 µs 80/20 µs

Param. Caratt. IimpUcUp In**, Imax***, - Up Uoc

Uc: tensione massima continuativa Tensione massima verso terra che lo scaricatore e in grado di sopportare permanentemente senza intervenire ne deteriorarsi.

Up: livello di protezione in tensioneCaratterizza la capacita dello scaricatore di limitare la tensione tra i suoi morsetti, selezionato da un elenco di valori preferenziali, e maggiore della piuelevata tensione residua misurata nelle classi di prova I o II.

Iimp: corrente impulsivaValore di picco della corrente di scarica con forma d’onda da 10/350 μs che l’apparecchio e in grado di scaricare verso terra almeno 20 volte consecutive senza deteriorarsi.

Uc: tensione massima continuativa Tensione massima verso terra che lo scaricatore è in grado di sopportare permanentemente senza intervenire ne deteriorarsi.

Up: livello di protezione in tensioneCaratterizza la capacita dello scaricatore di limitare la tensione tra i suoi morsetti, selezionato da un elenco di valori preferenziali, e maggiore della più elevata tensione residua misurata nelle classi di prova I o II.

Forma d’onda 10/350 µs 80/20 µs Onda combinata

Param. Caratt. IimpUcUp In ImaxUcUp Uoc

In: corrente di scarica nominaleValore di picco della corrente di scarica con forma d’onda da 8/20 μs che l’SPD è in grado di scaricare almeno 20 volte consecutive senza deteriorarsi, utilizzato per determinare il valore del livello di protezione Up dell’SPD.

Imax: corrente di scarica massimaValore di picco della corrente massima di scarica con forma d’onda da 8/20 μs che un SPD di tipo 2 e in grado di tollerare almeno una volta

• 2 elettrodi vicini

• Circuito aperto (100 MΩ)

• Innesco (100 ns)

• V elevata

• Innesco anticipato

• Arco (0,1÷1 Ω)

• Corrente susseguente

• Fine vita: aperto

SpinterometriSPD a commutazione o ad innesco

• V elevata

• Arco (0,1÷1 Ω)

• V elevata

• Arco (0,1÷1 Ω)

• If: corrente susseguenteCorrente, fornita dal sistema di alimentazione elettrica, che fluisce attraverso l’SPD a seguito di una corrente impulsiva.

• Ifi: valore nominale d’interruzione corrente susseguenteCorrente di cortocircuito presunta che un SPD e in grado di interrompere da solo.

• Ossidi metallici

• Impedenza comandata dalla tensione

• Corrente continuativa (Ic)

• Tensione di innesco bassa (1-10 ns)

• 1 Ω – no arco

• No corrente susseguente

• Fine vita: ctocto

VaristoriSPD a limitazione di tensione

• Impedenza comandata tensione

Corrente

• Impedenza comandata tensione

Combinati3P+N , 1P+N

Tipo di collegamento

4+0 3+0

L1 L2 L3 N L1 L2 L3

Tipo di collegamento

4+1 3+1

L1 L2 L3 N L1 L2 L3

• Tipo

– Tipo di collegamento CT1, CT2– Tipo SPD (1, 2, 3)

• Tensioni

– livello di protezione (Up) – continuativa (Uc)

• Correnti

– di scarica (In-Imax / Iimp)– di cortocircuito– susseguente

• Coordinamento

Scelta degli SPDNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4.

Pto intall. Origine, QEG QEG, QE, app.delicate QE, app.delicate

Tipo Tipo 1 o 2 Tipo 2 Tipo 2 o 3

Scelta degli SPD - TipoNorma CEI 64-8 Art. 534.4.3.

• FN – PE: necessaria

• F – N: raccomandata

• F – F: facoltativa

• CT1 principalmente modo comune

• CT2 combinazione modo comune e differenziale

• X differenziale: SPD aggiuntivi F-F

TN-S o TN-C-S

SPD N-PE omesso se:– distanza (nodo N-PE/SPD) > 0,5 m

– stesso QE (nodo N-PE/SPD)

Scelta degli SPD - TipoNorma CEI 64-8 Art. 534.4.3.

Scelta degli SPD - TensioniNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4.2 Livello di protezione

SPDIMPIANTO

DA PROTEGGERE

UP (es 1400V)

UC (es 275V)

UW (es 2500V)

UR (es 230 V)

< 0,8 UW

> 1,1 UR

SPD tra TN TT IT

F - F 1,1 U 1,1 U 1,1 U

F–N / F-PE 1,1 U/√3 1,1 U/√3 1,1 U/√3

F - PEN 1,1 U/√3 N/A N/A

N - PE U/√3 U/√3 1,1 U/√3

Scelta degli SPD - U continuativaNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4.3

Livello di protezione e tensione residuaNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4.2 e Art. 534.4.8 Livello di protezione

SPD a limitazione: UP/F = UP + ΔU

SPD a innesco: UP/F = max (UP, ΔU)

U3SPD a limitazione: UP/F = UP + ΔU

SPD a innesco: UP/F = max (UP, ΔU)

U1 (L1)

UB (LB)

U2 (L2)

UP (LP)

U3 (L3)

1 m di cavo x 10 kA (8/20) = 1 000 VL ≤ 0,5 m -> UP/F = 1,2 x UP

NODO 2

NODO 1

NODO 2

NODO 1

:-(:-)

Livello di protezione e tensione residuaNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4.2 Livello di protezione e Art. 534.4.10

CABLAGGIO ENTRA ED ESCI

Tipo 1: 16 mm2 CuTipo 2: 6 mm2 Cu

Tipo 1: 6 mm2 CuTipo 2: 2,5 mm2 Cu

Livello di protezione e tensione residuaNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4.2 Livello di protezione

CIRCUITI

D < 10 m

Viceversa:

• + 1 SPD: UP < UW

• SPD origine: UP < 0,5UW

+ cablaggio schermato

Corrente (kA) Probabilità ampiezza inferiore LPL

100 97% III – IV

150 98% II

200 99% I

Scelta degli SPD – Correnti – Origine impiantoNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4 Corrente impulsiva di scarica o nominale di scarica

Ampiezza corrente di fulmine

100kA 150kA 200kA

babilità c

Caratteristiche dei fulmini

• Verso:

– Discendenti

– Ascendenti

• Polarità:

– Positiva

– Negativa

• Composizione

• Durata colpi:

– Breve (< 2ms)

– Lungo (> 2ms)

Scelta degli SPD - CorrentiNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4.4 Corrente impulsiva di scarica

100 kA

50/4 kA= 12,5 kA cad

Scelta degli SPD - CorrentiNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4.4 Corrente impulsiva di scarica

100 kA

50/4 kA= 12,5 kA cadFune guardia

L1,L2,L3

200/2=100 kA

200 kA

200/2=100 kA

100/2 = 50 kA100/2 = 50 kA

Scelta degli SPD - CorrentiNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4.1 Corrente di impulsiva di scarica (I) Tipo 1

Colleg.

Corrente di impulsiva di scarica (kA)

Monofase Trifase

CT1 CT2 CT1 CT2

L - N NA 12,5 NA 12,5

L - PE 12,5 NA 12,5 NA

N - PE 12,5 25 12,5 50

Corrisponde ai livelli di protezione III e IV della CEI EN 62305-2 (100 kA picco)

Valutazione del rischio EN 62305-2?

ex EN 62305 Tabella

Scelta degli SPD - CorrentiNorma CEI 64-8 Art. 534.4.4.1 Corrente nominale di scarica (In) – Tipo 2

Colleg.

Corrente nominale di scarica (kA)

Monofase Trifase

CT1 CT2 CT1 CT2

L - N NA 5 NA 5

L - PE 5 NA 5 NA

N – PE 5 10 5 20

Scelta degli SPD - Correnti

Norma CEI 64-8 Art. 534.4.4.6 Corrente nominale di cortocircuito (ISCCR)

• F-N o F-PE: CtoCto monofase

• N-PE:

– TN o TT: Norma di prodotto IEC 61643-11

– IT: Doppio guasto a terra

ISCCR > ICC

Norma CEI 64-8 Art. 534.4.4.6 Corrente susseguente (IFI)

• F-N o F-PE: CtoCto monofase

• N-PE:

– TN o TT: Norma di prodotto IEC 61643-11

– IT: Doppio guasto a terra

IFI > ICC

Protezione contro le sovracorrenti ctoctoNorma CEI 64-8 Art. 534.4.5

Interna/esterna

• Conformi art. 434

• + alto possibile

Posizione

• Continuità

• Livello di protezione

Protezione contro i contatti indirettiNorma CEI 64-8 Artt. 534.4.6, 534.4.7

Protetto anche con guasto SPD

Sistema Tipo di collegamento

CT1 CT2

TN X X

TT Solo valle RCD X

IT con neutro X X

IT senza neutro X NA

SPD a valle RCD

• RCD istantanei o ritardati MA immuni 3 kA 8/20*

• Tipo 1 sconsigliato

SITSurge Isolation Transfomer

1643-3

Trasformatori di isolamento

• Separazione galvanica

• Stato N

• Isolato

• Modo

• SI comune

• NO differenziale

• Armoniche 3

• Attenuazione dB*

• Corrente di carico

• Tenuta dielettrica TR

Isolation transformer NON insulation transformer

SPD + filtri RFI/EMI

Attenuazione

• Fronte salita

• Tensione limitata

• Rumore inferiore soglia SPD

• Serie (corrente circuito)

No norma prodotto specifica

SPD + passa basso

Schermature

Schermo

A terra da un solo lato

Accoppiamento capacitivo

Schermo

• B nullo interno «tubo»

• M13 ≅ M12

• 2 estremi a terra

• < M12

• R3 <<

• schermo ferromagnetico

Accoppiamento induttivo

Schermo

EN 62305-4

Dimensionamento

tori, d

etti e

EN 62305-3 Tabella 3 – Spessore minimo delle

lastre metalliche o delle tubazioni metalliche usate come captatori

Impianti di terra, problemi di corrosione e protezione catodica

Corrosione elettrochimicaGeneralità

Corrosione elettrochimica

• Degrado lento proprietà materiale

• Interazione chimico-fisica ambiente*

• Trasformazione metallo ossidi**

• ossidazione (metallo, anodo)

• riduzione (O2***, catodo)

• Elettrolita

• Atmosfera

• Condensa

• Sali per contaminazione

Generalità

Corrosione elettrochimicaGeneralità (in ambiente neutro)

metallo

elettrolita

atmosfera

ANODO CATODO

Fe » Fe2+ +2e ½ O2 + H2O + 2 e » 2 OH-

Fe(OH)2

Idrossido ferroso Fe(OH)2Ione ossidrile 2 OH-Ossido ferrico idrato Fe2 OH3· H2O

2 Fe(OH)2 + ½ O2 » H2O + Fe2 OH3· H2O

Corrosione elettrochimicaGeneralità

2eANODO CATODO

Fe » Fe2+ +2e ½ O2 + H2O + 2 e » 2 OH-

10 mA/cm2 (10 1014 elettroni/s)100 mm/anno

Corrosione elettrochimicaGeneralità (in ambiente neutro)

metallo

atmosfera

ANODO CATODO

Fe » Fe2+ +2e ½ O2 + H2O + 2 e » 2 OH-

10 mA/cm2 (10 1014 elettroni/s)100 mm/anno

Necessaria

• Presenza ioni in movimento (acqua - elettrolita)

• Ossigeno (aria)

• Metallo (non nobile)

Passivazione

• Inox

• Al + leghe

• Titanio

• Ni + leghe

• Acciaio (CA, Cor-ten)

Sintesi

• Ogni punto

• Statisticamente indifferente

• Corrosione localizzata (galvanica)

• Pitting

• Interstiziale

Generalità

Corrosione elettrochimicaCorrosione galvanica

Corrosione galvanicaPer contatto

2eANODO CATODO

Fe » Fe2+ +2e ½ O2 + H2O + 2 e » 2 OH-

Corrosione galvanica

• Densità corrente

• Differenza potenziali di elettrodo **

• Quantità di ossigeno

• Conducibilità elettrolita

• Sup.Tot./Sup.MenoNobile

• Maggiore vicino contatto

Entità corrosione*

ANODO CATODO

Corrosione galvanicaSerie galvanica – Scala di nobiltà in ambiente acquoso + O2

Platino

Grafite

Titanio (passivo)

Argento

Acciaio inox 18-8

Nichel (Passivo)

Bronzo

Alluminio (passivo)

Ottone

Nichel (attivo)

Stagno

Piombo

Acciaio al carbonio (Ferro)

Cadmio

Magnesio

Scala di nobiltà • Teorica

• Termodinamica: potenziale di elettrodo (valori teorici di equilibrio)• Voltaica (effetto Volta): potenziale di contatto

• Galvanica (ambiente): passivazione (es Al)

Entità corrosione*

ANODO CATODO

Entità corrosione*

ANODO CATODO

Entità corrosione*

ANODO CATODO

Elettrolita meno conduttore

Sabbia

Picchetto Fe zincato in terreno a doppio strato

Argilla Fe2+ 2e

ell’

ilità

Corrosione elettrochimicaCorrosione interstiziale

Corrosione interstizialeMateriali passiviabili in presenza di interstizi

Metallo passivabile

Corrosione interstizialeMateriali passiviabili in presenza di interstizi

Metallo passivabile

Fe(OH)2

Corrosione elettrochimicaPitting

Pitting

Materiali

Metallici con comportamento attivo/passivo

• Ferro

• Nichel

• Acciai inox

• Ecc.

Ambienti

Aggressivi con blanda azione ossidante

• Terreno

• Acqua marina

• Condensa

• Rottura strato ossidi

• Rapporto superficie <<

Vaiolatura

Corrosione elettrochimicaCorrente vagante

Corrente vaganteMetalli in ambiente conduttore con ICC

Tubazione

metallica

Anodo* Catodo**

rrente

Impianti di terraCorrosione elettrochimica

Impianto di terra

• Rischio corrosione vicini

Ferri CA

• Passivati ambiente alcalino

• Collegamento diretto

• Rischio corrosione vicini*

Ferro zincato***

• a caldo**

• spigoli arrotondati

Dispersori

Dispersore

anello Cu Serbatoio Ferro

Zincato

Strato protettivo

Fe2+ Fe2+

Impianto di terra

Ferri CA

Ferro zincato***

• a caldo**

Dispersori

ell’a

Corda Cu

Piattina

Impianto di terra

Ferri CA

Ferro zincato***

• a caldo**

Dispersori

ell’a

Corda Cu

Impianto di terra

NO Alluminio

• Ossidi isolanti

NO acciaio inox

• Terreni con cloruri*

NO acciaio zincato

• Terreni molto acidi**

Dispersori

Impianto di terra

Evitare corrosione eliminare almeno 1 causa

• Materiali troppo diversi

• Elettrolita zona di contatto

Connessioni e collegamenti equipotenziali

Tubo in Rame

Morsetto RameCorda Rame

Impianto di terra

Tubo in acciaio zincato

Morsetto acciaio zincato

Corda acciaio zincato

Impianto di terra

Morsetto rame stagnato

Corda rame

Impianto di terra

Morsetto ottoneCorda Rame

Impianto di terra

Nelle murature

• Gesso/scaiola = acido

• Malta cemento = basico

Protezione contro la corrosioneProtezione catodica

Protezione catodica

Aprire il circuito isolando*** (passiva)

Funzione di catodo:

• Collegando metallo meno nobile*

• Alimentando in CC**

• Isolamento*** (passiva)

• Corrente (attiva)

… può a sua volta essere una

corrente vagante per altri

Per evitare che un metallo si corroda…

Tubazione

Metallica (Isolata)

Protezione catodica

Funzione di catodo:

… può a sua volta essere una

corrente vagante per altri

Elettrodo di terra

di Mg (Anodo)Tubazione

Metallica (Catodo)

Protezione catodica

Funzione di catodo:

… può a sua volta essere

una corrente vagante per altri

Elettrodo di terra

(Anodo)Tubazione

Metallica (Catodo)

Impianti di terraProtezione catodica

Problemi di compatibilità

Esigenze contrapposte di protezione:

• contro i contatti: collegato

• catodica: isolato

Collegando a terra strutture con protezione catodica:

• Aumento corrente di protezione richiesta

• Distribuzione della corrente

• Allontanamento anodi

• Maggiore

• Sicurezza

Impianti di terra e Protezione catodica

Impianti TTImpianti di terra e Protezione catodica

RN RT RA

+(RT+RPE) Idn ≤ 50

RN RT RTA RA

+(RT+RPE) Idn ≤ 50

massa Massa estranea

Impianti TNImpianti di terra e Protezione catodica

TNRN RTA RA

Impianti TNImpianti di terra e Protezione catodica

RPEUpc

+Zs Ia ≤ U0

Guasto MT o ATImpianti di terra e Protezione catodica

Impianti di terraCorrenti vaganti

Masse sistema TT CCImpianti di terra e correnti vaganti

rrente

Angelo BagginiUniversità degli Studi di Bergamo

Dipartimento di Ingegneria e Scienze ApplicateViale Marconi 5,

24044 Dalmine (BG) Italyemail: angelo.baggini@unibg.it

Protezione contro le sovratensioni, impianti di terra e...

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