Blog

La fisica delle sovratensioni durante gli eventi di fulminazione

Quando un fulmine colpisce, libera circa un miliardo di volt di elettricità in milionesimi di secondo, generando quei picchi di tensione improvvisi che si propagano attraverso materiali conduttivi come i cavi coassiali. Quello che accade è abbastanza semplice, in realtà. Il campo elettromagnetico prodotto dal fulmine induce una corrente a scorrere nei cavi e nelle strutture conduttive vicine, e questo spesso sovrasta l'isolamento normale e i componenti elettronici. Secondo una ricerca pubblicata da NEMA lo scorso anno, anche quando il fulmine non colpisce direttamente un oggetto, la vicinanza può comunque generare tensioni superiori ai 10.000 volt. La maggior parte dell'elettronica domestica è progettata per sopportare solo da 1.000 a 3.000 volt prima di iniziare a subire danni. Per questo motivo, una corretta protezione contro i sovraccarichi è così importante per qualsiasi apparecchiatura collegata alle linee elettriche o ai sistemi di comunicazione.

Ruolo del collegamento a terra nel deviare i transitori ad alta tensione

I kit di messa a terra funzionano creando un percorso per le sovratensioni elettriche da seguire, che presenti una resistenza molto bassa, tipicamente inferiore a 25 ohm in base alle linee guida IEEE 1100. Quando colleghiamo i conduttori schermati dei cavi coassiali a cavi di rame per la messa a terra di dimensioni pari ad almeno 10 AWG, la maggior parte dell'energia della sovratensione viene deviata in sicurezza verso terra. I test effettuati secondo gli standard UL 1449 dimostrano che questi sistemi possono effettivamente reindirizzare oltre il 95% dell'elettricità pericolosa lontano dal nostro equipaggiamento. Questo significa che i danni costosi alle schede elettroniche, dove le piste potrebbero evaporare o i semiconduttori potrebbero subire danni alle loro giunzioni, diventano molto meno probabili.

Come la messa a terra stabilizza il potenziale del sistema durante le sovratensioni

Un corretto collegamento a terra aiuta a ridurre le pericolose differenze di tensione tra l'attrezzatura e il terreno stesso, impedendo la formazione di archi elettrici dannosi attraverso i componenti. Abbiamo osservato questo fenomeno durante i test effettuati in Florida l'anno scorso, quando i sistemi correttamente collegati a terra hanno mantenuto le tensioni sotto controllo, intorno ai 500 volt, anche quando il fulmine ha colpito nelle vicinanze. L'attrezzatura non a terra? Le tensioni sono aumentate fino a 8.200 volt! Una differenza del genere è fondamentale quando si parla di proteggere i delicati circuiti di elaborazione dei segnali presenti nell'attuale attrezzatura video ad alta risoluzione e nell'hardware di rete. Senza una corretta messa a terra, questi costosi dispositivi tecnologici non avranno alcuna possibilità contro la potenza elettrica della natura.

Come i cavi coassiali conducono le sovratensioni indotte dai fulmini verso l'attrezzatura

Percorsi delle sovratensioni indotte dai fulmini tramite linee coassiali

I cavi coassiali possono diventare conduttori imprevisti per i fulmini a causa del loro schermo metallico. Un fulmine che colpisce nelle vicinanze di un'installazione genera potenti campi elettromagnetici che immettono tensioni elevate attraverso questi cavi, a volte raggiungendo oltre 100 chilovolt. Questa tensione viaggia lungo il cavo verso qualsiasi apparecchiatura collegata all'altro capo. Lo strato esterno del cavo agisce fondamentalmente come un'autostrada per questa energia, fino a quando qualcosa non la blocca. È qui che entrano in gioco un corretto collegamento a terra. Un sistema di messa a terra di qualità intercetterà queste pericolose sovratensioni e le indirizzerà in sicurezza verso il terreno, invece di permettere loro di distruggere componenti elettronici sensibili.

Caso Studio: Danni da sovratensione a TV e apparecchiature di rete

Nella tarda estate del 2023, un fulmine ha colpito un'abitazione a Tampa, in Florida, causando gravi danni all'equipaggiamento elettronico connesso tramite cavi coassiali. L'innalzamento di tensione ha percorso la connessione del piatto satellitare invece di arrestarsi sugli ingressi HDMI del televisore come previsto, danneggiando alla fine l'intero impianto home theater e distruggendo completamente la porta Ethernet del router Wi-Fi. Ai proprietari della casa sono stati richiesti costi di riparazione superiori ai duemilaottocento dollari solo per sostituire ciò che era stato compromesso da questo singolo evento atmosferico. Questo esempio tratto dalla vita reale ricorda in modo evidente l'importanza fondamentale del corretto collegamento a terra per tutte le installazioni coassiali, specialmente quando è previsto maltempo nella zona.

Soglie di Tensione che Compromettono i Componenti Elettronici

Il tipico dispositivo elettronico per consumatori non è in grado di gestire tensioni superiori a 1.000 volt, mentre i fulmini regolarmente raggiungono tensioni di oltre 10.000 volt. Questo crea problemi seri per i nostri dispositivi durante i temporali. I modem via cavo tendono a smettere di funzionare quando colpiti da tensioni comprese tra 900 e 1.200 volt, mentre i sintonizzatori TV sono ancora più fragili, con una soglia di circa 800 volt. I veri duri in questa situazione? Gli switch Ethernet con i loro circuiti integrati, che resistono fino a circa 1.500 volt prima di cedere. I sistemi di messa a terra vengono in soccorso deviando queste pericolose sovratensioni attraverso percorsi speciali che riducono i livelli di tensione a meno di 100 volt. Queste misure di sicurezza salvano letteralmente apparecchiature costose dal rischio di bruciarsi durante i temporali.

Componenti e progettazione di un kit per la messa a terra di cavi coassiali

Composizione dei componenti del kit di messa a terra: blocco, morsetto e connettori

I kit per la messa a terra dei cavi coassiali includono generalmente tre componenti principali: un blocco di messa a terra, un tipo di morsetto e vari connettori. Il blocco di messa a terra crea fondamentalmente un percorso conduttivo che collega il blindaggio esterno del cavo coassiale al sistema di messa a terra esistente. Intanto, il morsetto svolge una doppia funzione: tiene insieme il tutto meccanicamente e mantiene intatta la connessione elettrica. Per quanto riguarda i connettori, la qualità è molto importante perché devono corrispondere correttamente all'impedenza, contribuendo così a ridurre la perdita di segnale, cosa molto rilevante in caso di picchi di tensione. Senza un'adeguata corrispondenza dell'impedenza, i dati possono risultare corrotti o persi del tutto durante questi disturbi elettrici.

Connessione tra Cavi Coassiali e Kit di Messa a Terra Spiegata

Per effettuare correttamente l'installazione, è necessario collegare la parte esterna del cavo coassiale al blocco di messa a terra utilizzando ciò che è noto come connettore a compressione. Questa connessione crea un percorso che permette alle sovratensioni elettriche di scaricarsi in sicurezza lontano dalle nostre preziose apparecchiature elettroniche, invece di danneggiarle. Quando si utilizzano più dispositivi all'interno di un unico sistema, la maggior parte delle persone installa blocchi di messa a terra insieme a dispositivi di protezione contro le sovratensioni esattamente nel punto in cui i cavi entrano in casa. Questa combinazione funziona molto bene per proteggere contemporaneamente dispositivi come televisori, modem internet e router wireless durante quegli imprevedibili temporali che talvolta si verificano.

Importanza della corretta dimensione del filo di messa a terra (ad esempio, rame 10 AWG)

I cavi di messa a terra in rame devono rispettare gli standard NEC Article 810, con 10 AWG essendo la dimensione minima raccomandata per le installazioni residenziali. Diametri maggiori (ad esempio 6 AWG) sono richiesti per i sistemi commerciali che gestiscono correnti di picco più elevate. Cavi di dimensioni insufficienti aumentano l'impedenza, riducendo l'efficienza di dissipazione delle correnti di picco fino al 60% secondo i protocolli di test UL 467.

Standard dei Materiali e Durabilità nelle Installazioni Esterne

I kit di messa a terra di alta qualità sono generalmente realizzati con materiali resistenti alla corrosione, come cavi di rame stagnato e connettori in acciaio inossidabile, progettati per resistere sia ai raggi UV che alle condizioni di umidità. Quando valuti l'acquisto, verifica che i componenti siano dotati di certificazione UL 467, che riguarda gli standard di sicurezza per la messa a terra, oppure cerca la conformità ANSI/TIA-607, specificamente per le installazioni di telecomunicazioni. I kit costruiti secondo queste specifiche durano generalmente più di due decenni, anche quando esposti a condizioni difficili. Stiamo parlando di ambienti con aria salmastra vicino alle coste, fino a luoghi in cui le temperature oscillano drasticamente, da -40 gradi Fahrenheit fino a un caldo torrido di 150 gradi Fahrenheit, senza subire malfunzionamenti.

Migliori pratiche per l'installazione di un kit di messa a terra per cavi coassiali

Guida passo dopo passo per installare un protettore contro le sovratensioni per cavi coassiali

Inizia tagliando il cavo coassiale a circa 12-18 pollici di distanza dal punto in cui entra nell'edificio. Prendi un buon attrezzo per la compressione dei cavi coassiali e monta i connettori F resistenti alle intemperie su ciascuna estremità. Non dimenticare nemmeno la parte relativa all'installazione del blocco di messa a terra. Posizionalo tra il muro esterno e l'equipaggiamento situato all'interno, assicurandoti che abbia un buon contatto con qualcosa di adeguatamente messo a terra, come una sbarra metallica conficcata nel terreno o un vecchio tubo dell'acqua fredda che attraversa i muri del seminterrato. Quando stringi tutte quelle connessioni, utilizza morsetti resistenti alla corrosione invece di quelli standard. Per sigillare eventuali giunti esterni, usa quel materiale a base di silicone resistente ai raggi UV che si trova nei negozi di ferramenta. Applica solo la quantità necessaria per creare una barriera adeguata, senza esagerare e creare un disordine in seguito.

Metodi di messa a terra per antenne e installazioni sui tetti

Il palo dell'antenna deve essere correttamente collegato al sistema di messa a terra utilizzato per il cavo coassiale. Quando si effettua l'installazione sui tetti, è una buona prassi inserire nel terreno quei pali di rame di otto piedi almeno sei piedi sotto il livello del suolo, vicino alla base del palo. Per creare un buon collegamento tra il palo e il paletto di messa a terra, si può utilizzare una morsetto a forcella insieme a cavi di rame 10 AWG. Le cose si complicano però in terreni rocciosi. In questi casi è preferibile utilizzare piastre di messa a terra, posizionate orizzontalmente circa trenta pollici sotto la superficie. Questo aiuta a mantenere la resistenza elettrica sotto controllo, idealmente al di sotto dei 25 ohm, come indicato dagli standard del National Electrical Code (sezione 250.52). L'obiettivo non è solo rispettare le normative, ma soprattutto creare un percorso sicuro per le correnti da fulmine.

Protezione da sovratensione per cavi coassiali e porte sui dispositivi di protezione

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni con porte coassiali dedicate (RG6/RG11) deviano le correnti indotte da fulmini verso terra, purché il sistema di messa a terra sia correttamente collegato. Cercare dispositivi con capacità di scarica ≥5kA e tensioni di clampaggio inferiori a 500V.

Tipo di porto	Tensione di blocco	Valore di picco
RG6 (TV)	≥ 500V	5kA
RG11 (Rete)	≥ 400V	10kA

Secondo un'analisi recente del settore, i dispositivi di protezione non messi a terra non riescono a mitigare il 92% delle tensioni transitorie superiori a 1kV. Verificare sempre la continuità tra il terminale di terra del dispositivo e l'elettrodo di messa a terra principale utilizzando un multimetro.

Limitazioni e rischi di una messa a terra inadeguata o assente

Rischi dei dispositivi di protezione non messi a terra durante eventi di fulmine

Se i cavi coassiali non vengono correttamente messi a terra utilizzando quei particolari kit di messa a terra, diventano un grosso problema quando il fulmine colpisce. La maggior parte delle persone non si rende conto che, secondo i dati NEMA del 2023, circa il 60 percento dell'energia del fulmine riesce a superare completamente i dispositivi di protezione contro le sovratensioni quando manca la messa a terra. Cosa succede dopo? I dispositivi collegati sono soggetti a picchi di tensione estremamente elevati, che a volte superano i 15.000 volt. L'elettricità residua non scompare neppure. Scioglie le schede dei router e i componenti televisivi in modo sorprendentemente rapido. Test sul campo hanno dimostrato che circa 8 volte su 10, questi tipi di guasti avvengono entro soli tre milionesimi di secondo dopo il primo picco di tensione.

Dati del settore sui guasti dell'attrezzatura dovuti a una cattiva messa a terra

Analizzando oltre 12.000 eventi di sovratensione in uno studio IEEE del 2021, i ricercatori hanno scoperto che circa 7 guasti su 10 ai dispositivi erano causati da tecniche di messa a terra inadeguate. I dispositivi che utilizzavano kit di messa a terra con cavi troppo piccoli da 14 AWG finivano per guastarsi circa 2,5 volte più spesso rispetto a quelli con corretti cavi di rame da 10 AWG. Risolvere i problemi nei sistemi senza una corretta messa a terra costa alle aziende circa 1.200 dollari ogni volta che si verifica un problema, mentre la riparazione di sistemi correttamente messi a terra costa in media circa 180 dollari. Questa differenza diventa molto significativa quando si analizza il budget per la manutenzione nel lungo termine.

Possono i dispositivi di protezione contro le sovratensioni funzionare senza messa a terra? Smentendo il mito

Un buon kit di messa a terra non è solo un extra, ma in realtà una delle componenti più importanti di qualsiasi sistema adeguato di protezione contro le sovratensioni. Test effettuati in laboratorio mostrano chiaramente ciò che accade quando non è prevista la messa a terra. Senza di essa, circa il 90 percento dell'energia del fulmine finisce esattamente dove non dovrebbe, sui dispositivi connessi. Tuttavia, se tutto rispetta gli standard NFPA 780 per la messa a terra, questa percentuale scende fino a circa l'8%. E in fin dei conti, anche i costosi protettori contro le sovratensioni di alta gamma diventano praticamente nient'altro che semplici ciabatte elettriche una volta persa la connessione con un sistema adeguato di messa a terra. I dati lo confermano: questi modelli costosi iniziano a guastarsi con lo stesso tasso dei apparecchi completamente esposti dopo appena due picchi di tensione significativi.

Domande Frequenti

Quali sono le cause delle sovratensioni elettriche durante i temporali?

Le sovratensioni elettriche durante i fulmini sono causate dal brusco rilascio di miliardi di volt di elettricità, che genera picchi di tensione che si propagano attraverso materiali conduttivi come i cavi coassiali.

Come aiuta il collegamento a terra nel proteggere contro le sovratensioni indotte dai fulmini?

Il collegamento a terra fornisce un percorso a bassa resistenza per le sovratensioni elettriche, deviando la maggior parte dell'elettricità pericolosa verso il suolo e riducendo al minimo i danni a apparecchiature sensibili.

Perché il corretto collegamento a terra è importante per i cavi coassiali?

Un corretto collegamento a terra impedisce che le sovratensioni indotte dai fulmini viaggino attraverso i cavi coassiali verso le apparecchiature collegate, evitando danni significativi.

Quali sono i componenti principali di un kit per il collegamento a terra dei cavi coassiali?

Un kit per il collegamento a terra dei cavi coassiali include tipicamente un blocco di messa a terra, una fascetta e connettori per creare un percorso sicuro che permetta alle sovratensioni di raggiungere il suolo.

Possono i dispositivi di protezione contro le sovratensioni funzionare senza il collegamento a terra?

No, i dispositivi di protezione contro le sovratensioni sono molto meno efficaci senza il collegamento a terra, poiché il collegamento a terra è fondamentale per deviare in modo sicuro la tensione in eccesso lontano dai dispositivi connessi.