Un trasformatore di messa a terra è anche chiamato trasformatore di messa a terra del neutro. Crea un punto neutro artificiale nei sistemi di potenza dove il neutro non è direttamente disponibile o non è messo a terra.
Normalmente non trasporta una corrente di carico significativa. Invece, fornisce un percorso affidabile per la corrente di sequenza zero durante un guasto a terra monofase. Funziona insieme a una resistenza di messa a terra del neutro, una resistenza di terra o una bobina di soppressione dell'arco. Ciò aiuta a limitare la corrente di guasto, sopprimere le sovratensioni transitorie e consentire l'intervento delle protezioni a relè.
I trasformatori di messa a terra in secco sono ampiamente utilizzati nelle sottostazioni, nelle sale quadri, nei data center, negli ospedali, negli impianti industriali e nelle centrali di energia rinnovabile. Sono privi di olio, resistenti al fuoco e richiedono una manutenzione relativamente bassa.
Perché sono necessari i trasformatori di messa a terra?
Molte reti di distribuzione in media tensione a 6 kV, 10 kV e 35 kV utilizzano un neutro isolato o messo a terra tramite bobina di soppressione dell'arco. Se il lato in bassa tensione del trasformatore principale è collegato a triangolo, non esiste un punto neutro accessibile per la messa a terra.
Quando si verifica un guasto a terra monofase, la corrente capacitiva di guasto a terra può diventare sufficientemente grande da sostenere un arco elettrico. Ciò può portare a sovratensioni di terra da arco, ferrorisonanza o persino guasti fase-fase.
Un trasformatore di messa a terra fornisce un punto neutro artificiale stabile. Il sistema può quindi essere messo a terra tramite una resistenza, una reattanza o un altro dispositivo di terra. Ciò migliora sia la sicurezza del sistema che la sensibilità delle protezioni.
Come funziona: il vantaggio della connessione a zig-zag?
I trasformatori di messa a terra utilizzano comunemente una connessione a zig-zag. Ogni avvolgimento di fase è diviso in due parti. Queste parti sono avvolte in direzioni opposte su diversi rami del nucleo e quindi collegate in serie per portare fuori il punto neutro.
In condizioni normali, le tensioni trifase sono essenzialmente bilanciate.
Il trasformatore di messa a terra trasporta principalmente corrente di magnetizzazione. Presenta un'elevata impedenza alle correnti di sequenza positiva e negativa, quindi opera vicino alle condizioni di vuoto.
Durante un guasto a terra monofase, la corrente di sequenza zero fluisce attraverso il punto neutro verso terra.
La disposizione a zig-zag consente al flusso di sequenza zero di formare un percorso chiuso all'interno del nucleo. Ciò si traduce in una bassa impedenza alla corrente di sequenza zero.
Rispetto ai trasformatori di potenza convenzionali, un trasformatore di messa a terra a zig-zag ha un'impedenza di sequenza zero molto più bassa.
È quindi più adatto a trasportare la corrente di guasto a terra. L'esatta impedenza di sequenza zero dipende dalla capacità del prodotto, dalla struttura del nucleo e dal livello di tensione del sistema. Dovrebbe essere confermata dai rapporti di prova del produttore e dagli studi sui guasti del sistema.
Tipi comuni e schemi di connessione
I trasformatori di messa a terra possono essere classificati come segue:
- Per mezzo di isolamento: trasformatori di messa a terra in olio e trasformatori di messa a terra in secco.
- Per numero di fasi: trasformatori di messa a terra trifase e monofase.
- Per disposizione degli avvolgimenti: trasformatori di messa a terra a due avvolgimenti e a tre avvolgimenti.
Un trasformatore di messa a terra a tre avvolgimenti include spesso un avvolgimento ausiliario in bassa tensione. Questo avvolgimento può fungere da trasformatore per i servizi ausiliari della stazione. L'unità fornisce quindi sia un punto neutro artificiale che un'alimentazione ausiliaria, riducendo il numero di apparecchiature e risparmiando spazio.
Gli schemi di connessione tipici includono ZNyn e YNd. La selezione finale dovrebbe basarsi sulla tensione del sistema, sul metodo di messa a terra, sui requisiti di protezione e su qualsiasi richiesta di carico ausiliario.
Parametri chiave e considerazioni per la selezione
I parametri importanti per la selezione includono:
- Tensione nominale: deve corrispondere alla tensione del sistema, come 10 kV o 35 kV.
- Impedenza di sequenza zero: influisce sulla corrente di guasto a terra monofase. Deve essere coordinata con la resistenza di messa a terra del neutro, la bobina di soppressione dell'arco e le impostazioni delle protezioni.
- Capacità nominale: determinata dalla corrente capacitiva del sistema, dal metodo di messa a terra e dalla corrente di guasto di breve durata.
- Classe di isolamento: le classi comuni per le unità in secco sono la Classe F e la Classe H.
- Capacità di corrente di breve durata: il trasformatore deve resistere alla corrente di guasto a terra per la durata di guasto richiesta.
- Metodo di messa a terra: messa a terra a bassa resistenza, messa a terra ad alta resistenza, messa a terra a reattanza, messa a terra con bobina di soppressione dell'arco o messa a terra solida.
Nei sistemi con messa a terra a bassa resistenza, la capacità del trasformatore di messa a terra deve essere verificata rispetto alla tensione del sistema e alla corrente di guasto target. Deve inoltre essere verificata rispetto alla durata di guasto richiesta. La portata continua dovrebbe essere derivata dal servizio termico di breve durata. Se l'unità alimenta anche un carico per i servizi della stazione, il carico ausiliario deve essere aggiunto per evitare il surriscaldamento a lungo termine.
Applicazioni tipiche
- Reti di distribuzione a 10 kV / 35 kV: fornitura di un punto neutro artificiale e limitazione delle sovratensioni da arco.
- Reti in cavo: una corrente capacitiva di guasto a terra più elevata richiede un metodo di messa a terra controllato.
- Centrali di energia rinnovabile: stabilizzazione del potenziale del punto neutro nei sistemi di raccolta fotovoltaici ed eolici.
- Data center, ospedali e impianti industriali: miglioramento della sicurezza della messa a terra e del rilevamento dei guasti.
- Alimentazione ausiliaria della sottostazione: utilizzo di un trasformatore di messa a terra a tre avvolgimenti come trasformatore per i servizi della stazione.
Checklist per l'ispezione quotidiana
Un trasformatore di messa a terra in secco normalmente opera a vuoto o a carico molto leggero. Trasporta corrente significativa solo durante un guasto a terra. Le ispezioni di routine dovrebbero coprire sia gli elementi generali del trasformatore in secco che il circuito di messa a terra del neutro.
| Area di ispezione |
Elementi chiave |
Condizioni normali / Azioni |
| Aspetto e isolamento |
Involucro, avvolgimenti, isolatori, boccoli, staffe del nucleo |
Nessuna crepa, scolorimento, carbonizzazione, tracciamento o materiale estraneo; pulire la polvere accumulata durante il fuori servizio |
| Collegamenti elettrici |
Terminali dei cavi, sbarre collettrici, morsetti, bulloni |
Nessun allentamento, ossidazione, scolorimento o bruciatura; verificare con termografia a infrarossi |
| Neutro e messa a terra |
Conduttore del neutro, resistore di messa a terra o bobina di estinzione dell'arco, messa a terra dell'involucro, messa a terra del nucleo |
Conduttori di messa a terra sicuri e privi di corrosione; resistenza di messa a terra di protezione tipicamente ≤ 4 Ω o come richiesto dalla rete di messa a terra; la resistenza di messa a terra del neutro deve essere determinata mediante calcolo di sistema |
| Temperatura e raffreddamento |
Regolatore di temperatura, temperatura degli avvolgimenti, ventole di raffreddamento, condotti dell'aria |
Le unità di classe F generalmente attivano l'allarme intorno a 130 °C e lo scatto intorno a 150 °C; la classe H consente temperature più elevate; confermare le impostazioni con la targhetta e i dati del produttore |
| Suono e vibrazioni |
Nucleo, staffe, involucro, ventole |
Un ronzio uniforme è normale; indagare immediatamente su crepitii, archi elettrici o rumori metallici |
| Parametri operativi |
Tensione, corrente, equilibrio delle fasi, corrente di sequenza zero |
Deviazione della tensione preferibilmente entro ±5%; correnti di fase bilanciate; una corrente di sequenza zero anomala richiede indagini |
| Ambiente |
Ventilazione, temperatura, umidità, condensa, protezione dai parassiti |
Temperatura ambiente generalmente ≤ 40 °C; umidità relativa ≤ 85%; nessuna condensa, detriti o guarnizioni danneggiate |
Guasti comuni e risoluzione dei problemi
| Sintomo |
Possibile causa |
Azione consigliata |
| Spostamento della tensione del punto neutro |
Squilibrio di fase, messa a terra scadente, guasto a terra del sistema |
Verificare l'equilibrio del carico, il circuito di messa a terra e la tensione di sequenza zero |
| Corrente di sequenza zero anomala |
Guasto a terra monofase, guasto alla resistenza di messa a terra, problema di protezione |
Verificare la condizione di guasto del sistema; ispezionare il circuito del neutro, la resistenza di messa a terra e il TA di sequenza zero |
| Surriscaldamento degli avvolgimenti o dei giunti |
Collegamento allentato, sovraccarico, guasto della ventola |
Eseguire un'ispezione a infrarossi; serrare i collegamenti; controllare le ventole e i condotti dell'aria |
| Rumore o odore di scarica |
Umidità, accumulo di polvere, scarica parziale |
Ispezionare la superficie dell'isolamento durante l'interruzione; eseguire test di isolamento se necessario |
| Elevata corrente di messa a terra del nucleo |
Punti di messa a terra del nucleo multipli, invecchiamento dell'isolamento |
Misurare la resistenza di isolamento del nucleo; individuare e rimuovere i punti di messa a terra indesiderati |
| Intervento della protezione di sequenza zero |
Guasto a terra effettivo, danno alla resistenza di messa a terra, malfunzionamento del TA o del relè |
Confermare se si è verificato un guasto effettivo; ispezionare il circuito del neutro, la resistenza di messa a terra, il TA di sequenza zero e le impostazioni del relè |
Raccomandazioni per la manutenzione e i collaudi
Mantenere registri operativi per la temperatura degli avvolgimenti, la corrente, la tensione, la corrente di sequenza zero e il funzionamento delle ventole. Le attività mensili possono includere ispezioni visive, serraggio dei morsetti e prove di funzionamento delle ventole. I controlli trimestrali devono riguardare il sistema di messa a terra, la corrente di messa a terra del nucleo e le condizioni dell'isolamento.
I collaudi annuali o basati sulle normative possono includere la resistenza di isolamento, la resistenza in corrente continua degli avvolgimenti, il rapporto di trasformazione, la taratura del regolatore di temperatura e, ove applicabile, le prove di scarica parziale.
Sebbene un trasformatore di messa a terra sopporti un carico molto ridotto durante il normale funzionamento, la sua affidabilità influisce direttamente sulle prestazioni della protezione dai guasti a terra. Il conduttore del neutro, la resistenza di messa a terra, la bobina di compensazione e il circuito di protezione di sequenza zero devono essere considerati punti di ispezione prioritari.
Ambito di applicazione e note di sicurezza
Questo articolo è destinato a fornire un riferimento generale sui trasformatori di messa a terra a secco utilizzati nei sistemi di distribuzione in media tensione. Parametri, impostazioni e intervalli di manutenzione specifici devono sempre essere conformi alla targa matricola dell'apparecchiatura, alle istruzioni del produttore, alle specifiche di progetto e agli standard locali applicabili.
Durante le ispezioni in tensione, mantenere una distanza di sicurezza dalle parti in tensione. Qualsiasi lavoro che comporti l'isolamento, il serraggio dei morsetti o le prove deve seguire le corrette procedure di blocco e segnalazione, verifica dell'assenza di tensione e messa a terra.
Le informazioni qui fornite sono destinate esclusivamente alla discussione tecnica e non costituiscono progettazione ingegneristica, coordinamento delle protezioni o istruzioni operative.
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