Effetto del Multi

La storia del lampo multi-burst inizia con Karl Berger, professore di ingegneria dell'alta tensione all'ETH di Zurigo. Era conosciuto come il “padre della ricerca sui fulmini” per le sue osservazioni pionieristiche presso la stazione di rilevamento dei fulmini sul Monte San Salvatore dal 1943 al 1972. Il suo lavoro è importante perché presto dimostrò che un fulmine consisteva in un'esplosione di un primo tratto seguito da diversi tratti successivi, tutti distanziati di pochi millisecondi, come illustrato ad esempio nel suo articolo del 1967 [1].

Come risultato del lavoro di Karl, la struttura di un fulmine è ora ben nota, il che suggerirebbe che i test sui fulmini multi-burst dovrebbero ora essere eseguiti di routine. Ma solo pochi laboratori hanno costruito apparecchiature per eseguire test multi-burst (ad esempio, Darveniza e colleghi in Australia, Ray Hill e colleghi della Georgia Tech, e recentemente Zhang e colleghi in Cina). Allora perché i test multi-burst per simulare i fulmini non sono stati condotti più ampiamente? E perché non è entrato negli standard?

Una possibile ragione risale all'osservazione di Bodle et al. nel 1976 [2] che,

“Per i test di progettazione della capacità di resistenza ai fulmini degli impianti e delle apparecchiature associate, sia nel settore delle comunicazioni che in quello energetico, viene utilizzato un unico grande impulso. Questo è un tipo di test di "equivalenza" dettato da considerazioni pratiche sul test. L’esperienza ha indicato, tuttavia, che questa è una simulazione accettabile dell’effettiva esposizione sul campo, che include più colpi”.

Quindi quello che Bodle e i suoi coautori stanno dicendo è che, sì, conosciamo i flash a più componenti, ma i test con sovratensione multipla non sono necessari perché il test con singolo burst di grandi dimensioni funziona abbastanza bene. Ciò sarebbe probabilmente vero se fossero stati testati tubi del gas o blocchi di carbonio, che erano i principali tipi di dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) utilizzati nel 1976.

Una seconda possibile ragione è che le apparecchiature per condurre test multi-burst non sono disponibili in commercio e, se lo fossero, sarebbero probabilmente costose. In ogni caso, i test multi-burst generalmente non vengono eseguiti sugli SPD.

Quindi cosa ci perdiamo testando con un singolo grande picco o con picchi multipli ma ampiamente distanziati (che assomigliano a una serie di test di picco singolo)? Se stiamo testando SPD di commutazione (ad esempio, tubi del gas o tiristori), potrebbe non esserci alcun problema. Ma potrebbe esserlo con il bloccaggio degli SPD perché il bloccaggio degli SPD, in particolare dei varistori a ossido di metallo (MOV), può avere una costante di tempo termica lunga. Costanti di tempo termiche lunghe possono causare accumulo di calore in un SPD soggetto a un burst multi-surge (probabilmente inclusa corrente continua). L'accumulo di calore può portare a un aumento della temperatura potenzialmente distruttivo, che è ciò che ci manca quando un test di burst multi-surge viene sostituito da un unico grande picco o da più picchi ampiamente distanziati.

La Figura 1 mostra un esempio di un fulmine in cui potremmo aspettarci un accumulo di calore.

Figura 1: Esempio di un fulmine a raffica multipla (dopo Rakov, [3])

L'idea che siano necessari test di burst multi-surge è supportata in un articolo di Sargent et al. [4]. Nel loro studio, metà serie di campioni MOV da 18 mm sono stati sottoposti a un burst multi-surge di 8/20 picchi alla corrente nominale. Questi campioni hanno mostrato segni di danneggiamento, mentre l'altra metà dei campioni testati con un singolo picco 8/20 alla corrente nominale ripetuto a intervalli di 60 secondi o più non ha mostrato danni. In un altro test di burst multi-surge, Rousseau et al. [5] ha sottoposto un MOV a sessanta picchi di tensione da 20 kA 8/20 distanziati di 60 secondi l'uno dall'altro, senza guasti. Ma quando lo stesso tipo di MOV è stato sottoposto a un minimo di cinque picchi da 20 kA 8/20 distanziati di 50 ms l'uno dall'altro, si è verificato un guasto.

Per la maggior parte, il lavoro di flash multi-burst sul bloccaggio degli SPD è stato eseguito sui MOV, poiché i MOV hanno una lunga costante di tempo termico. A causa della lunga costante di tempo, l'energia depositata in un MOV da una serie di picchi ravvicinati potrebbe non dissiparsi prima dell'arrivo del picco successivo, consentendo all'energia di accumularsi. Lo stesso vale per i dispositivi basati sul silicio, ma in misura minore perché le costanti di tempo termico per i dispositivi al silicio sono più brevi rispetto ai MOV. Quindi ci concentreremo sui MOV; e per un esempio illustrativo, l'applicazione dei MOV alla protezione delle alimentazioni CC alle teste radio remote (come discusso in [6]).