Vuoi approfondire i principi di funzionamento dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni?
Sento ancora l'odore di vernice bruciata di un test che abbiamo condotto l'anno scorso: una scarica da 6 kV e il pannello fittizio è diventato nero in mezzo secondo.
Un dispositivo di protezione dalle sovratensioni funziona catturando l'energia in eccesso e scaricandola a terra, quindi limitando la tensione al di sotto del livello che potrebbe danneggiare le apparecchiature. Costruisco questi dispositivi ogni giorno a Wenzhou e li testo secondo lo standard IEC 61643-11.
Se sai come funziona, puoi scegliere il componente giusto e smettere di pagare per specifiche che non usi mai. Continua a leggere e ti svelerò i segreti del dispositivo.
Obiettivi principali: trasferimento di energia e limitazione della tensione?
Una volta ho visto una sovratensione di 40 kA mancare un azionamento per un microsecondo perché il MOV ha scattato in tempo: quel piccolo disco ha salvato un inverter da 12.000 dollari.
I due obiettivi principali sono: (1) scaricare rapidamente a terra l'energia della sovratensione e (2) mantenere la tensione che raggiunge il carico al di sotto del limite di sicurezza indicato nella scheda tecnica.
Come si muove l'energia all'interno della scatola
Arriva una sovratensione sulla linea. L'impedenza del MOV scende da megaohm a ohm in nanosecondi. La corrente segue il percorso più facile attraverso il dispositivo, quindi scorre lungo il filo di terra giallo-verde. Più il filo è caldo, minore è la sua impedenza, quindi utilizziamo rame da 6 mm² e manteniamo il conduttore al di sotto dei 50 cm. Qualsiasi lunghezza in più aggiunge 1 µH di induttanza e questo aggiunge 1 kV alla tensione di passaggio. I clienti dimenticano questo dettaglio e danno la colpa al componente quando la scheda si guasta comunque.
Tensione di bloccaggio vs tensione di passaggio
Spesso si confondono i due valori. La tensione di bloccaggio è quella che il MOV "vede". La tensione di passaggio è quella che il carico "vede" dopo la caduta del cavo. Io le riporto sempre entrambe sul mio foglio di prova. Un componente che blocca a 700 V può comunque far arrivare 1200 V al VFD se il cavo di terra è lungo 80 cm. Taglia il cavo, risparmiati il dolore.
Dati reali provenienti dal nostro laboratorio
| Livello di sovratensione | MOVSize | Piombo della Terra | Lasciare passare | Risultato |
| 20 kA 8/20 µs | disco da 32 mm | 25 cm | 980 V | PASSAGGIO |
| 20 kA 8/20 µs | disco da 32 mm | 80 cm | 1,450 V | FALLIRE |
| 40 kA 8/20 µs | disco da 40 mm | 25 cm | 1,050 V | PASSAGGIO |
La tabella mostra che la lunghezza del cavo è più importante delle dimensioni del MOV. Dico a ogni acquirente: spendete un dollaro in più per cavi corti piuttosto che spenderne cinque per un componente più grande.
Perché aggiungiamo un tubo di scarico dei gas nei progetti ibridi
Un MOV si usura dopo forti impatti. Un GDT può sopportare più impatti ma è lento. Li abbiamo messi in parallelo. Il MOV si avvia per primo e si stabilizza per i primi 100 ns. Poi il GDT si attiva e assorbe la corrente principale. Il MOV si riposa e ha una durata maggiore. Il sistema ibrido è ora il nostro prodotto più venduto agli impianti solari tedeschi perché il personale addetto alla manutenzione desidera una durata di 20 anni, non di 5.
Componenti chiave e meccanismi di protezione gerarchica?
Apro una delle nostre unità di tipo 1+2 e vedo MOV, GDT, fusibili e un minuscolo interruttore termico che ticchetta come un bollitore quando è stanco.
Le componenti principali sono: (A) varistori o GDT che consumano energia, (B) sezionatori termici che impediscono gli incendi e (C) fusibili di sicurezza che eliminano i cortocircuiti. Le sovrapponiamo in tre strati per adattarle al sistema di cablaggio di un impianto.
Livello uno: Tipo 1 alla porta di servizio
Questa parte è esposta direttamente ai fulmini. Utilizziamo un tubo a impulsi da 25 kA 10/350 µs più un blocco MOV da 50 kA. L'obiettivo è ridurre la tensione del fulmine da 1.000 kV a meno di 4 kV prima che raggiunga il quadro elettrico. Lo montiamo su una guida DIN da 35 mm e lo colleghiamo alla barra di terra principale con un filo di rame da 16 mm². Un foro per il bullone nel posto sbagliato aggiunge 2 µH e 2 kV in più. Controllo il disegno due volte; l'acquirente si salva da un trasformatore bruciato.
Livello due: Tipo 2 nei pannelli secondari
Questo strato impedisce le sovratensioni indotte da fulmini vicini o dalla commutazione di motori di grandi dimensioni. Abbiamo scelto MOV da 40 kA 8/20 µs con disconnessione termica. Il componente si innesta, consentendo all'utente di sostituirlo senza interrompere l'alimentazione. Abbiamo aggiunto un LED verde che si spegne quando il componente è guasto. Un responsabile di cantiere a Milano mi ha detto che riesce a controllare 50 pannelli in dieci minuti semplicemente percorrendo il corridoio e contando i punti verdi.
Strato tre: Tipo 3 al carico
Azionamenti, PLC e PC necessitano di una protezione locale. Utilizziamo unità da 10 kA 8/20 µs con tensione di passaggio inferiore a 900 V. Il componente si adatta a una scatola a muro o all'interno di una ciabatta multipresa. Il cavo dal tipo 2 al carico non deve superare i 10 m. Se la lunghezza è maggiore, aggiungiamo un altro tipo 3. Una volta ho salvato un servo da 4.000 dollari aggiungendo un SPD da 9 dollari per la presa, perché il quadro elettrico si trovava a 30 m di distanza.
Come comunicano tra loro i vari strati
L'energia è come l'acqua. Se la prima diga è piena, la seconda deve essere pronta. Impostiamo i livelli di tensione a gradini: il Tipo 1 blocca la tensione a 1,8 kV, il Tipo 2 a 1,4 kV e il Tipo 3 a 0,9 kV. Lo strato inferiore non si attiva mai prima di quello superiore, quindi ogni parte condivide il carico. Testiamo l'intera catena nel nostro laboratorio con tre unità in serie e una scarica di 100 kA. La tensione di uscita alla presa terminale è di 720 V, sicura per qualsiasi azionamento a 230 V.
Elenco dei componenti che utilizziamo quotidianamente
| Parte | Ruolo | Specifiche | Cicli vitali |
| MOV da 40 mm | MORSETTO | 40 kA 8/20 µs | 20 grandi successi |
| Interruttore termico | Fermafuoco | 120 °C | Un colpo solo |
| Fusibile da 6 A gG | Breve chiaro | Corrente di interruzione di 50 kA | Un colpo solo |
| tubo GDT | Backup | scintilla da 600 V | 100 visualizzazioni |
| LED + resistenza | Stato | drenaggio da 2 mA | 10 anni |
Collaborazione e backup di sicurezza?
Ricordo ancora il giorno in cui un fusibile termico si è bruciato e il segnale di allarme ha avvertito il tecnico di sostituire l'unità: niente drammi, nessun incendio, solo una pausa di cinque minuti.
Un SPD deve funzionare con interruttori, messa a terra e instradamento dei cavi. Aggiungiamo fusibili termici, microinterruttori e segnali remoti in modo che il team in loco sappia quando il componente è guasto e che intervenga un sistema di backup sicuro.
Perché un SPD ha bisogno dell'interruttore come amico
Un MOV può andare in cortocircuito quando si guasta. Il fusibile di riserva deve interrompere il guasto prima che il quadro elettrico si bruci. Adattiamo la curva di fusibile alla corrente di guasto del MOV. Un MOV da 40 kA si guasta con un cortocircuito di 1 kA. Scegliamo un fusibile da 6 A gG che si interrompe in 0,1 s a 1 kA. Il fusibile non si brucia mai in caso di sovracorrente normale perché questa dura microsecondi. I calcoli sono precisi, ma funzionano. Fornisco agli acquirenti una tabella dei fusibili in modo che il loro elettricista non debba fare supposizioni.
Segnalazione remota per siti di grandi dimensioni
Un nostro cliente gestisce forni per il vetro 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Non può recarsi fisicamente in stabilimento ogni settimana. Abbiamo installato un microinterruttore all'interno del dispositivo di protezione da sovrapressione (SPD) che si attiva all'apertura del disco termico. L'interruttore alimenta un ingresso PLC a 24 V. Una spia rossa sull'HMI segnala "SPD guasto". L'operatore ci contatta, gli spediamo una cartuccia di ricambio e la sostituisce al successivo cambio turno. In due anni, nessun arresto imprevisto.
Coordinamento con i dispositivi di protezione differenziale (RCD) e i rilevatori di arco elettrico.
Alcuni ingegneri temono che la corrente di dispersione del SPD possa far scattare un RCD. Noi manteniamo la corrente di dispersione al di sotto di 0,3 mA a 230 V. Un RCD da 30 mA non la rileva mai. Se il sito utilizza rilevatori di arco elettrico, aggiungiamo un filtro EMI prima del SPD in modo che la limitazione ad alta frequenza non inganni il rilevatore. Abbiamo testato questa configurazione presso il TÜV Rheinland e ha superato i test.
Indicatori chiave di prestazione?
Monitoro tre parametri per ogni spedizione: tensione di passaggio, tasso di guasto ogni 1.000 pezzi e tempo di sostituzione in loco. In caso di anomalie, fermo la linea.
I principali KPI sono: (1) livello di protezione dalla sovratensione (Up) misurato in laboratorio, (2) numero di cicli di vita di sovratensione prima dell'usura e (3) tempo medio di sostituzione (MTTR) su sistemi in funzione. Registro questi dati per ogni lotto che vendiamo.
Perché Let-Through è il re
Una caduta di tensione di 200 V in salita può raddoppiare la durata di un azionamento. Testiamo ogni disco MOV al 100% della corrente e registriamo la tensione. I dischi che presentano valori elevati vanno alla linea di produzione degli impianti solari, dove il bloccaggio è meno critico. I dischi che presentano valori bassi vanno alla linea di produzione dei PLC tedeschi. Questa procedura aggiunge un'ora alla produzione, ma riduce i guasti sul campo del 40%. Pago l'ora di lavoro, ma risparmio la chiamata di emergenza notturna.
Test di conteggio delle vite che eseguiamo
Abbiamo sottoposto lo stesso componente a 20 kA ogni cinque minuti fino a quando l'interruttore termico non è scattato. Il detentore del record ha resistito a 27 cicli. Pubblichiamo la curva nella scheda tecnica. Gli acquirenti vedono che il componente funziona ancora dopo dieci anni di normali picchi di corrente. Quel singolo grafico conclude più affari del mio miglior sconto.
Conclusione
Trasferimento di energia, bloccaggio, strati, backup e KPI chiari: ecco tutto. Scegliete un SPD con un basso punteggio di dispersione e un basso tasso di ritorno, e dormirete sonni tranquilli.