La protezione contro le sovratensioni

1. Generalità

E' noto che il fenomeno delle sovratensioni può essere causato dalla manovra di commutazione dei grandi carichi induttivi, da guasti verso terra o nella maggior parte dei casi dalle fulminazioni dirette o indirette che si manifestano durante i temporali. I fulmini in particolare sono fenomeni di scarica violenti che producono in tempi brevissimi correnti di intensità molto elevate che possono raggiungere e superare i 200 kA. A causa dell'enorme energia sviluppata nel breve tempo sono eventi che si possono ripercuotere con tutto il loro potenziale distruttivo sui componenti o sugli impianti e nei casi più gravi sulle persone e sugli animali. Per prevenire i rischi dovuti a questi fenomeni di origine naturale si rende necessario uno studio approfondito e il rilievo dei fulmini a terra per mezzo di strumenti sensibili al campo elettromagnetico prodotto dalla corrente di fulmine (fig. 1.1).

Fig. 1.1. - Valori medi della frequenza di fulminazione per unità di superficie


2. Le scariche atmosferiche

In caso di temporale può accadere che le nuvole e il suolo si comportino come le armature di un condensatore. L'aria è il dielettrico interposto tra queste enormi armature, una miscela di gas isolante costituita principalmente da azoto e ossigeno. La rigidità dielettrica dell'aria, in base al valore del campo elettrico che si stabilisce tra cielo e terra, può essere superata e si può verificare il fenomeno della scarica elettrica che comunemente viene definita fulmine.
I temporali sono normalmente originati da particolari nubi di tipo cumuli-nembi riconoscibili dalla forma allungata a fianchi stretti e dal caratteristico colore scuro (fig. 2.2).



Fig. 2.2 - I temporali sono originati da nubi del tipo cumuli-nembi

La nascita di una nube temporalesca è dovuta all'aria calda che dal terreno sale verso l'alto. L'aria ascendente, raggiunta una determinata altezza, si porta ad una temperatura alla quale diventa satura di vapore acqueo che condensando dà origine ad una nuvola (fig. 2.3).

Fig. 2.3 - L'aria che sale dal suolo si carica di umidità e ad una determinata altezza il vapore acqueo condensa e si ha la formazione della nube

l calore liberato dal processo di condensazione del vapore provoca un ulteriore riscaldamento dell'aria che è spinta nuovamente verso l'alto. Se l'aria è molto umida si ha la formazione di cumuli stratificati, un'enorme macchina termica che può raggiungere uno spessore di 12 km ad un'altezza da terra di circa 2 km. La turbolenza di queste correnti d'aria favorisce la separazione delle gocce d'acqua che si sono formate. La teoria della formazione delle cariche elettriche all'interno della nuvola non è stata ancora del tutto chiarita. L'elettrizzazione per strofinio è l'ipotesi più accreditata. Alle alte quote, quando la temperatura dell'aria scende al di sotto di 0 °C, le gocce d'acqua si trasformano in cristalli di ghiaccio. Sarebbero proprio gli urti tra gocce d'acqua e cristalli di ghiaccio a generare le cariche elettriche negative e positive che si formano nella nube (fig. 2.4).

Fig. 2.4 - Formazione delle cariche elettriche in una nube temporalesca

Le cariche elettriche di segno opposto che si sono formate si respingono separandosi in parte verso l'alto (cariche positive costituite dai cristalli di ghiaccio) e in parte verso il basso della nube (cariche negative costituite dalle goccioline di acqua).
E' da questo momento che nella nuvola si formano i primi lampi (fig. 2.5).



Fig. 2.5 - Nella nube si manifestano i primi lampi

La rigidità dielettrica dell'aria che in condizioni ambientali ideali è di circa 3000 kV/m può abbassarsi notevolmente per la presenza di umidità e pulviscolo atmosferico. Anche l'intensità del campo elettrico che solitamente in condizioni di tempo sereno al suolo è di circa 0,12 kV/m può essere superata a causa di un aumento della concentrazione di cariche elettriche nella nuvola e a terra. In situazioni particolari con nubi elettricamente cariche questo valore può raggiungere i 15 kV/m (fig.2.6) e può essere ulteriormente amplificato da elementi in rilievo rispetto al suolo (fig. 2.7).



Fig. 2.6 - Valori del campo elettrico al suolo

Fig. 2.7 - Il campo elettrico è rafforzato dalla presenza di elementi in rilievo rispetto al suolo

3. Formazione e caratteristiche del fulmine

I fulmini sono un fenomeno di scarica elettrica che produce in tempi brevissimi correnti di intensità molto elevata. In funzione della direzione nella quale si propagano e della carica elettrica possono distinguersi in discendenti (quando hanno origine dalla nube) o ascendenti (quando hanno origine da strutture a terra), positivi o negativi (fig. 3.1).

 

Fig. 3.1. - Tipi di fulmine

3.1. Principio di formazione del fulmine

Per meglio chiarire il principio di scarica riferiamoci all'esempio di uno tra i fulmini più diffusi, il fulmine discendente (fig. 3.2).

1 - A causa dell'intenso campo elettrico e della rarefazione dell'aria il fulmine potrebbe avere inizio dalla parte bassa della nube. Inizia con una saetta che si propaga a zig-zag verso terra a sbalzi successivi di 30-50 m.
2 - La saetta influenzata dall'azione del campo elettrico si carica di particelle elettriche e favorisce la formazione di un canale ionizzato di forma ramificata.
3 - La scarica prosegue fino ad arrivare in prossimità del suolo. Il campo elettrico diventa così elevato da favorire fenomeni di effluvio (o scintille) finché uno di questi (canale di controscarica della lunghezza di alcune decine di metri) non entrerà in contatto col canale discendente.
4- Il contatto tra il canale discendente e di controscarica si manifesta come un arco elettrico molto luminoso (scarica di ritorno). Inizia lo scambio di cariche elettriche tra le nubi e il suolo mentre la rapida espansione dell'aria provocata dall'energia termica generata dal fulmine favorisce la formazione del tuono.
5 - Seguono una serie di altri archi di minore intensità (archi susseguenti) finché il fenomeno non si esaurisce.

 

Fig. 3.2. - Fasi della scarica di un fulmine negativo discendente

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