Un trasformatore di messa a terra in secco fornisce un punto neutro artificiale per i sistemi trifase privi di un neutro naturalmente accessibile. Una volta stabilito il punto neutro, esso può essere collegato a una bobina di estinzione dell'arco, un resistore di messa a terra, un reattore del punto neutro o altri dispositivi ausiliari, formando un sistema completo di messa a terra del neutro insieme a sezionatori, trasformatori di corrente, scaricatori di sovratensione o spinterometri.
Quali apparecchiature possono essere collegate al punto neutro?
| Apparecchiatura |
Funzione principale |
Nota relativa agli standard IEC |
| Bobina di soppressione dell'arco / Bobina di Petersen |
Compensa la corrente capacitiva di guasto a terra monofase e aiuta a estinguere l'arco |
I valori nominali, la capacità di breve durata e i livelli di isolamento possono essere riferiti alla norma IEC 60076-6 |
| Resistore di messa a terra |
Limita la corrente di guasto a terra, sopprime le sovratensioni e fornisce una corrente di sequenza zero rilevabile |
La resistenza viene selezionata in base alla tensione fase-neutro e alla corrente di guasto target; la tenuta termica di breve durata deve essere verificata |
| Reattore del punto neutro |
Limita la corrente di sequenza zero o sopprime la risonanza in serie con la bobina di soppressione dell'arco |
Può essere trattato come un reattore di messa a terra del punto neutro secondo la norma IEC 60076-6 |
| Scaricatore di sovratensioni / spinterometro |
Limita le sovratensioni del punto neutro e protegge il trasformatore di messa a terra |
Il coordinamento dell'isolamento può essere riferito alle norme IEC 60071-1 e IEC 60071-2 |
| Trasformatore di corrente |
Misura la corrente di sequenza zero per la protezione, la selezione della linea in guasto a terra e il monitoraggio |
Installato nel circuito del punto neutro |
| Sezionatore |
Fornisce un punto di isolamento visibile per la manutenzione e la manovra |
Deve essere previsto nel circuito del punto neutro |
| Carico secondario |
Fornisce alimentazione ausiliaria quando il trasformatore di messa a terra funge anche da trasformatore per i servizi ausiliari della stazione |
La capacità secondaria deve essere calcolata separatamente |
I trasformatori di messa a terra in secco utilizzano comunemente un collegamento a zig-zag, come ZNyn11 o ZNvn11. In condizioni normali di esercizio, presentano un'elevata impedenza alle correnti di sequenza positiva e negativa e trasportano solo una piccola corrente di magnetizzazione. Durante un guasto a terra monofase, presentano una bassa impedenza alla corrente di sequenza zero, consentendole di fluire attraverso il punto neutro verso la bobina di compensazione o il resistore di messa a terra.
Quando è adatta una bobina di compensazione?
Le bobine di compensazione sono adatte per i sistemi a neutro non efficacemente collegato a terra, noti anche come sistemi a neutro risonante o sistemi a bassa corrente di guasto a terra.
Le condizioni tipiche di applicazione includono:
- Sistemi in media tensione come 3 kV, 6 kV, 10 kV, 20 kV, 35 kV e 66 kV.
- Sistemi in cui la corrente capacitiva di guasto a terra monofase supera il limite ammissibile per un neutro isolato, ma è richiesto il funzionamento continuativo di breve durata durante un guasto a terra.
- Reti con elevati requisiti di continuità di fornitura, come reti di distribuzione rurali, miniere, giacimenti petroliferi, impianti chimici, impianti metallurgici, ospedali e impianti industriali a processo continuo.
- Reti di linee aeree o reti miste aeree/in cavo con frequenti guasti a terra transitori.
- Funzionamento in sovracompensazione per evitare la risonanza serie causata da una compensazione quasi totale.
La messa a terra risonante può limitare le sovratensioni transitorie durante i guasti a terra monofase. Tuttavia, la risonanza deve comunque essere evitata e si possono verificare sovratensioni più elevate se l'apparecchiatura di compensazione è anomala o regolata in modo improprio.
Guida alla selezione:
- Quando la corrente capacitiva di guasto a terra supera il limite consentito per un sistema a neutro isolato ed è richiesto un funzionamento in guasto di breve durata, si può prendere in considerazione una bobina di compensazione. Il limite esatto deve essere determinato in base alle norme nazionali applicabili, ai requisiti degli enti locali e alle specifiche delle apparecchiature.
- Quando la corrente capacitiva è elevata, specialmente nelle reti interamente in cavo, può essere preferibile la messa a terra a bassa resistenza o uno schema di messa a terra combinato.
- Quando la corrente capacitiva è vicina al limite di selezione, può essere adottato uno schema combinato: la bobina di compensazione funziona in condizioni normali e un resistore in parallelo viene inserito dopo un ritardo temporale per eliminare i guasti a terra permanenti.
Quando è adatto un resistore di messa a terra?
I resistori di messa a terra si dividono in messa a terra a bassa resistenza e messa a terra ad alta resistenza.
Messa a terra a bassa resistenza
Le applicazioni tipiche includono reti in cavo da 6 kV a 35 kV, sistemi di distribuzione urbana, sistemi di potenza industriali e sistemi ausiliari delle centrali elettriche.
Caratteristiche principali:
- La corrente di guasto a terra è relativamente elevata, tipicamente limitata a diverse centinaia di ampere.
- La protezione di sequenza zero può rilevare il guasto in modo affidabile.
- Le linee in guasto possono essere disconnesse rapidamente.
- Le sovratensioni transitorie sono efficacemente limitate.
- La continuità di fornitura è inferiore rispetto ai sistemi a messa a terra risonante poiché il circuito in guasto viene interrotto.
Considerazioni per la selezione:
- Adatta per reti interamente in cavo e sistemi di distribuzione urbana sotterranei.
- Preferita quando sono richieste protezione rapida, localizzazione accurata dei guasti e intervento selettivo.
- Il trasformatore di messa a terra, il resistore di messa a terra e le apparecchiature di manovra devono essere verificati per la tenuta termica di breve durata in base alla corrente di guasto a terra prevista e al tempo di eliminazione del guasto.
Il valore della resistenza può essere stimato preliminarmente come:
R = V_ln / I_f
dove V_ln è la tensione fase-neutro del sistema e I_f è la corrente di guasto a terra monofase target. Questa espressione è una base di selezione semplificata. Il valore finale deve considerare anche la variazione della tensione di sistema, lo schema di messa a terra, le impostazioni di protezione, la corrente capacitiva e i limiti termici delle apparecchiature.
Messa a terra ad alta resistenza
La messa a terra ad alta resistenza viene utilizzata dove la corrente di guasto a terra deve essere limitata, le sovratensioni di risonanza devono essere soppresse ed è accettabile un funzionamento continuativo di breve durata.
Caratteristiche principali:
- La corrente di guasto a terra è solitamente limitata a pochi ampere fino a diverse decine di ampere.
- Il sistema può continuare a funzionare temporaneamente, ma il guasto deve essere localizzato ed eliminato tempestivamente.
- Comunemente applicata ai terminali dei generatori, ai sistemi di alimentazione ausiliaria e ai piccoli sistemi di distribuzione.
Bobina di compensazione rispetto alla messa a terra a bassa resistenza
| Confronto |
Messa a terra con bobina di estinzione dell'arco |
Messa a terra a bassa resistenza |
| Corrente di guasto a terra |
Bassa corrente residua |
Tipicamente diverse centinaia di ampere |
| Gestione del guasto |
Estinzione dell'arco; possibile il funzionamento continuato per breve tempo |
Intervento rapido della partenza in guasto |
| Continuità di alimentazione |
Maggiore |
Minore |
| Controllo delle sovratensioni |
Limita le sovratensioni transitorie; la risonanza deve essere evitata |
Limitazione efficace delle sovratensioni |
| Protezione |
Dipende dalla selezione della linea in guasto a terra; l'intervento non è sempre immediato |
La protezione a sequenza zero fa scattare il circuito in guasto |
| Rete tipica |
Reti aeree o miste con elevati requisiti di affidabilità |
Reti in cavo, sistemi di distribuzione urbani e industriali |
trasformatore di messa a terra a secco
Protezione del punto neutro e requisiti di funzionamento
Oltre alle principali apparecchiature del punto neutro, è necessario considerare le seguenti misure di protezione e di funzionamento:
- Un sezionatore deve essere installato per fornire un punto di isolamento visibile.
- Un trasformatore di corrente deve essere fornito per la misurazione della corrente di sequenza zero, la protezione e la selezione della linea in caso di guasto a terra.
- Scaricatori di sovratensione o spinterometri devono essere considerati per limitare la sovratensione del punto neutro.
- Il trasformatore di messa a terra deve essere dotato di protezione da sovracorrente di sequenza zero, coordinata con lo schema di messa a terra del sistema.
- Normalmente, solo il punto neutro di un trasformatore di messa a terra deve essere collegato alla stessa sezione della sbarra collettrice, con l'applicazione di un interblocco di posizione.
- I sistemi con messa a terra risonante devono essere dotati di selezione della linea in caso di guasto a terra monofase.
- I sistemi con messa a terra a bassa resistenza devono garantire un funzionamento affidabile della protezione di sequenza zero e verificare la tenuta termica del resistore di messa a terra.
- I livelli di isolamento devono essere verificati tramite il coordinamento dell'isolamento in conformità con IEC 60071-1 e IEC 60071-2.
Raccomandazioni per la selezione
- Quando il lato a bassa tensione del trasformatore principale è collegato a triangolo e non dispone di un punto neutro accessibile, deve essere fornito un trasformatore di messa a terra.
- Quando la corrente di guasto a terra capacitiva è relativamente bassa ed è accettabile un funzionamento continuato di breve durata, spesso si preferisce una bobina di estinzione dell'arco.
- Quando la rete presenta molti circuiti in cavo, un'elevata corrente capacitiva ed è richiesta una rapida eliminazione del guasto, la messa a terra a bassa resistenza è spesso più adatta.
- Quando la corrente capacitiva è vicina al limite di selezione, può essere adottato uno schema combinato: la bobina di estinzione dell'arco opera in condizioni normali, mentre un resistore in parallelo viene inserito per i guasti a terra permanenti.
- La potenza nominale del trasformatore di messa a terra deve corrispondere alle apparecchiature del punto neutro. Per la messa a terra con bobina di estinzione dell'arco, il trasformatore deve soddisfare la potenza nominale della bobina, i requisiti di servizio di breve durata e termici. Per la messa a terra con resistore, deve essere verificato rispetto alla corrente di guasto a terra di breve durata e alla durata del guasto. Se il trasformatore di messa a terra fornisce anche alimentazione ausiliaria, la capacità di carico secondaria deve essere calcolata separatamente.
- I valori nominali di breve durata tipici includono 10 s, 30 s e 60 s, ma il valore finale deve essere determinato in base al tempo di eliminazione della protezione, alle condizioni di funzionamento del sistema e alle specifiche del produttore.
- Il circuito del punto neutro deve essere progettato come un quadro completo, comprendente sezionatori, trasformatori di corrente, scaricatori di sovratensione o spinterometri e i necessari dispositivi di protezione.
In sintesi, il punto neutro di un trasformatore di messa a terra in secco è utilizzato principalmente per collegare una bobina di estinzione dell'arco, un resistore di messa a terra e le relative apparecchiature di protezione e misurazione. La messa a terra con bobina di estinzione dell'arco è più adatta per le reti che richiedono un'elevata continuità di alimentazione e correnti di guasto a terra controllate.
La messa a terra a bassa resistenza è più adatta per le reti urbane e industriali ricche di cavi dove è richiesta una rapida eliminazione dei guasti. I parametri finali e la selezione delle apparecchiature devono essere conformi agli standard IEC applicabili, ai regolamenti locali delle utilities e alle condizioni tecniche del produttore delle apparecchiature.
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