Tipi di dispositivi di protezione contro le sovratensioni industriali e strategie di protezione graduale
31/10/2025
Questo articolo introdurrà sistematicamente i tipi, i metodi di classificazione e come costruire un efficace sistema di protezione graduale per limitatori di sovratensione industriali (SPD).
Classificazione per principio tecnico e capacità di scarico
Questo è il metodo di classificazione principale per gli SPD, che ne determina direttamente gli scenari applicativi e i livelli di protezione, e si basa solitamente su standard internazionali come IEC 61643.
Capacità di scarico: In grado di resistere e rilasciare fulmini diretti o correnti parziali di fulmine (simulando una forma d'onda 10/350μs); le correnti di prova possono tipicamente raggiungere decine di kiloampere.
Scenari applicativi: Installato principalmente all'ingresso dell'armadio di distribuzione principale (MDB) dell'edificio come dispositivo di protezione primaria per rilasciare la corrente di fulmine dalle linee esterne (ad esempio, linee elettriche).
Tipo 2 (Tipo 2/T2): limitatore di tensione
Principio tecnico: il componente principale è un varistore (MOV). Sotto tensione normale, il MOV presenta un'elevata resistenza; quando si verifica una sovratensione, la sua resistenza diminuisce bruscamente, bypassando la corrente e bloccando la tensione a un livello sicuro.
Capacità di scarico: Dispositivi di protezione contro le sovratensioni di tipo 2 Utilizzato per scaricare fulminazioni indotte e sovratensioni operative (simulando forma d'onda 8/20μs), con una capacità di scarica tipicamente compresa tra diverse migliaia e decine di migliaia di Ampere.
Scenari applicativi: installato a valle dell'armadio di distribuzione principale nell'armadio di distribuzione (pannello di distribuzione, SDB) o prima dell'armadio di controllo di apparecchiature importanti, fungendo da protezione secondaria per fornire protezione alla maggior parte delle apparecchiature elettriche.
Tipo 3 (Tipo 3/T3): protezione avanzata
Principio tecnico: in genere utilizza MOV più fini, tubi a scarica di gas o diodi TVS, con conseguente risposta estremamente rapida e tensione residua inferiore (livello di protezione).
Capacità di scarica: la capacità di scarica è relativamente piccola, utilizzata principalmente per sopprimere ulteriormente la sovratensione residua.
Scenari applicativi: Dispositivi di protezione contro le sovratensioni di tipo 3 installato molto vicino all'apparecchiatura protetta, ad esempio nella presa o nella scheda delle prese dell'apparecchiatura, per una protezione accurata. Di solito deve essere utilizzato insieme a un SPD di tipo 2 e non può essere installato da solo.
Velocità Combinata (Tipo 1+2): Soluzione Integrata
Principio tecnico: questo dispositivo integra uno spinterometro di tipo 1 e un varistore di tipo 2, offrendo i vantaggi di un'elevata capacità di scarica e di un basso livello di protezione.
Scenari applicativi: Dispositivi di protezione contro le sovratensioni combinati SPD (Tipo 1+2). adatto per applicazioni con spazio limitato o che richiedono un design semplificato. Può essere installato direttamente nell'armadio di distribuzione principale all'ingresso dell'edificio, fornendo una protezione combinata di primo e secondo livello.
Classificazione estesa dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni industriali
Oltre ai tipi tecnologici di base, gli SPD industriali possono essere classificati anche in base ad altre dimensioni.
Classificazione per tipo di fonte di alimentazione
SPD di alimentazione CA: utilizzato per proteggere i sistemi di alimentazione CA, come le reti elettriche industriali da 380 V/220 V.
SPD di alimentazione CC: utilizzato per proteggere i sistemi di alimentazione CC, come i sistemi di generazione di energia fotovoltaica, gli azionamenti di motori CC e gli alimentatori delle stazioni base di comunicazione.
SPD di alimentazione CA VS SPD di alimentazione CC
Pannelli solari fotovoltaici, sistemi di accumulo di batterie, stazioni di ricarica per veicoli elettrici, telecomunicazioni, settore automobilistico, marittimo e trasporto pubblico.
Tensione del sistema
Segue le tensioni CA standard (ad esempio, 120 V, 230 V, 400 V, 480 V).
Altamente variabile (ad esempio, 12 V, 24 V, 48 V per le batterie; da 600 V a 1500 V per le stringhe solari).
Comportamento attuale
Corrente alternata. La tensione attraversa lo zero 100 o 120 volte al secondo. Questo aiuta estinguere un arco elettrico.
Corrente continua. La tensione è costante e non passa per lo zero. Questo fa arco molto più sostenuto e pericoloso.
Sfida progettuale chiave
Gestione delle sovratensioni transitorie. Il passaggio per lo zero dell'AC aiuta naturalmente a interrompere la corrente.
Soppressione dell'arco. La sfida principale è quella di estinguere in modo sicuro la “corrente secondaria” dalla sorgente CC dopo un evento di sovratensione senza che l'SPD prenda fuoco.
Tecnologia e componenti interni
Utilizza principalmente Varistori all'ossido di metallo (MOV) e talvolta tubi a scarica di gas (GDT). I design sono relativamente semplici.
Usi più robusti MOV con speciali camere/riempitivi di spegnimento dell'arco. Maggiore dipendenza da GDT progettato specificamente per la corrente continua, in grado di gestire in sicurezza la tensione continua continua senza perdite.
Tensione nominale (Uc)
Approvato per il funzionamento continuo a tensioni AC RMS standard (ad esempio, 275 V, 320 V, 440 V).
Destinato al funzionamento continuo alla tensione specifica del sistema CC (ad esempio, 1000 V CC, 1500 V CC).
Disconnessione e sicurezza
Spesso include sezionatori termici per guastare in sicurezza un MOV che è stato deteriorato da numerose sovratensioni.
Critico e più robusto. Richiede meccanismi di guasto avanzati per disconnettere fisicamente l'SPD dalla sorgente CC in modo sicuro, poiché un arco CC prolungato rappresenta un grave rischio di incendio.
Standard di certificazione
UL 1449 (Nord America), IEC 61643-11 (Internazionale).
UL 1449 (per applicazioni DC specifiche), IEC 61643-11, UL 497B e standard specifici per sistemi fotovoltaici come IEC 62548.
Classificazione per tipo di segnale
Gli ambienti industriali contengono non solo linee elettriche ma anche numerose linee di segnale e di controllo. Gli SPD di segnale sono specificatamente progettati per proteggere queste linee a bassa tensione, come:
● SPD di rete/Ethernet
● SPD porta seriale RS-232/485/422
● SPD I/O analogico/digitale
● Cavo coassiale SPD (utilizzato per videosorveglianza, antenne, ecc.)
Classificazione per struttura di montaggio
Dispositivi di protezione contro le sovratensioni a innesto
Sembra un adattatore e si collega direttamente a una presa a muro. Viene utilizzato principalmente per proteggere un singolo dispositivo e appartiene al Tipo 3.
Dispositivi di protezione contro le sovratensioni modulari
Il design modulare standard ne consente il montaggio su una guida DIN in un armadio di distribuzione, proprio come un interruttore automatico. Questa è la forma più comune nelle applicazioni industriali, facilitando l'installazione, la sostituzione e il monitoraggio delle condizioni (tramite contatti di segnalazione remota). Il Tipo 1 e il Tipo 2 sono per lo più di questo tipo.
Dispositivi di protezione contro le sovratensioni box-type
I moduli SPD, i fusibili o gli interruttori automatici sono integrati in un unico involucro protettivo, comunemente utilizzato nelle scatole per apparecchiature esterne o sul campo.
Come costruire un sistema di protezione a più livelli (a gradini)?
Un singolo SPD non può fornire una protezione perfetta, quindi è necessaria una strategia di protezione a più livelli (o a gradini).
Principio della protezione a più livelli
Il concetto centrale della protezione graduata è “scarica passo dopo passo e bloccaggio strato dopo strato”.”
Livello 1 (Tipo 1/Tipo 1+2): sulla linea principale in ingresso, assorbe e scarica la maggior parte della massiccia energia di sovratensione, limitando le sovratensioni di diversi kilovolt a un livello inferiore (ad esempio, 1500-2500 V).
Livello 2 (Tipo 2): sul pannello di distribuzione, scarica ulteriormente le sovratensioni residue che hanno superato il Livello 1 e limita la tensione a un livello più sicuro (ad esempio, 1000-1500 V).
Livello 3 (Tipo 3): nella parte anteriore dell'apparecchiatura, fornisce la soppressione finale di picchi residui minori, offrendo la tensione residua più bassa possibile (in genere inferiore a 1.000 V), garantendo l'assoluta sicurezza delle porte delle apparecchiature di precisione.
È necessario mantenere una certa distanza di linea (generalmente consigliata superiore a 10 metri) tra ciascun livello di SPD per utilizzare l'impedenza di linea per il coordinamento energetico. Se la distanza è insufficiente, sono necessari componenti di disaccoppiamento (come induttori di disaccoppiamento dedicati o fusibili/interruttori automatici appropriati) per garantire che ciascun livello di SPD funzioni in una sequenza coordinata.
Esempio di configurazione Spd in scenari industriali tipici
Scenario: Centro di controllo della linea di produzione automatizzata
Sala di distribuzione principale (MDB): installare SPD di tipo 1+2 per proteggere l'ingresso di energia nell'intero edificio.
Armadio di controllo della linea di produzione (SDB): installare SPD di tipo 2 per proteggere l'alimentazione delle unità di controllo principali come PLC e convertitori di frequenza.
Modulo I/O PLC Parte anteriore: installare gli SPD di segnale sulle linee dei segnali di controllo (ad esempio, 24 V CC).
Postazione di lavoro del tecnico: utilizzare schede socket SPD di tipo 3 sulle prese per proteggere il computer e il programmatore.
Switch di rete dell'officina: installare gli SPD Ethernet sulle porte di rete.
Domande frequenti
Come selezionare il tipo di SPD appropriato in base alle condizioni del sito?
Passaggio 1: determinare la posizione di installazione. Selezionare T1 o T1+2 per l'armadio della linea entrante principale; T2 per l'armadio di distribuzione; e T3 per il front-end dell'attrezzatura.
Passaggio 2: controllare i parametri chiave. La tensione massima di funzionamento continuo (Uc) deve essere maggiore della tensione più alta che può verificarsi nella rete elettrica locale; la corrente di scarica nominale (In) e la corrente di scarica massima (Imax) devono soddisfare i requisiti del livello di protezione contro i fulmini (LPL) del punto di installazione; il livello di protezione della tensione (Up) deve essere inferiore al valore della tensione di tenuta dell'apparecchiatura protetta.
Passaggio 3: considerare altri fattori, come il sistema di alimentazione (CA/CC), il metodo di installazione (modulare/a scatola), l'indicazione dello stato e i requisiti della funzione di segnalazione remota.
Ispezione e manutenzione quotidiana degli SPD industriali
Ispezione visiva regolare: controllare l'SPD per eventuali danni fisici, come crepe o segni di bruciatura.
Osservare l'indicatore di stato: la maggior parte degli SPD dispone di un indicatore a finestra con codice colore (verde/rosso). Il verde indica il funzionamento normale e il rosso indica un guasto che richiede la sostituzione immediata.
Conservare un registro di manutenzione: registrare la data di installazione, la data dell'ispezione iniziale e i dettagli dell'ispezione successiva. Anche in condizioni normali gli SPD hanno una durata di vita limitata; si consiglia di ispezionarli o sostituirli periodicamente (ad esempio ogni 3-5 anni) o dopo un evento di sovratensione importante.
Test professionale: utilizzare strumenti specializzati per misurare la corrente di dispersione del varistore e valutare il degrado delle prestazioni.
I dispositivi di protezione contro le sovratensioni possono impedire lo scatto degli interruttori automatici?
La funzione principale di un SPD è impedire che le apparecchiature vengano danneggiate da sovratensione, non impedire lo scatto degli interruttori automatici.
Conclusione
Comprendendo i principi tecnici e gli scenari applicativi dei diversi tipi di dispositivi di protezione da sovratensione industriale (SPD) (t1, t2, t3) e combinandoli con una protezione completa delle linee di alimentazione e di segnale, possiamo costruire un efficace sistema di protezione gerarchico (passo dopo passo).
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