Quali sono le differenze tra un trasformatore di messa a terra e un trasformatore convenzionale?

Cos'è un trasformatore di messa a terra?

Un trasformatore di messa a terra, abbreviato come "trasformatore di messa a terra," può essere classificato in a secco o al silicone a seconda del mezzo di riempimento; e in trifase o monofase a seconda del numero di fasi.

Differenza tra trasformatori di messa a terra e trasformatori convenzionali

Lo scopo di un trasformatore di messa a terra è creare un punto neutro artificiale per la connessione di una bobina di soppressione dell'arco o di un resistore quando il sistema è connesso in configurazione triangolare (Δ) o stella (Y) senza un punto neutro accessibile. Tali trasformatori utilizzano connessioni di avvolgimento a zig-zag (o "Z-type"). La differenza chiave dai trasformatori convenzionali è che ogni avvolgimento di fase è diviso in due gruppi avvolti in direzioni opposte sulla stessa gamba del nucleo magnetico. Questo design permette al flusso magnetico di sequenza zero di fluire attraverso le gambe del nucleo, mentre nei trasformatori convenzionali, il flusso di sequenza zero viaggia lungo percorsi di dispersione. 

Pertanto, l'impedenza di sequenza zero di un trasformatore di messa a terra Z-type è molto bassa (circa 10 Ω), mentre quella di un trasformatore convenzionale è molto più alta. Secondo le normative tecniche, quando si utilizza un trasformatore convenzionale per connettere una bobina di soppressione dell'arco, la capacità della bobina non deve superare il 20% della capacità nominale del trasformatore. In contrasto, un trasformatore Z-type può portare una bobina di soppressione dell'arco al 90%-100% della propria capacità. Inoltre, i trasformatori di messa a terra possono fornire carichi secondari e servire come trasformatori di servizio, risparmiando così costi di investimento.

Principio di funzionamento dei trasformatori di messa a terra

Un trasformatore di messa a terra crea artificialmente un punto neutro con un resistore di messa a terra, che solitamente ha una resistenza molto bassa (generalmente richiesta inferiore a 5 ohm). Inoltre, a causa delle sue caratteristiche elettromagnetiche, il trasformatore di messa a terra presenta un'alta impedenza alle correnti di sequenza positiva e negativa, consentendo solo una piccola corrente di eccitazione di fluire negli avvolgimenti. Su ogni gamba del nucleo, le due sezioni di avvolgimento sono avvolte in direzioni opposte. Quando correnti di sequenza zero uguali fluiscono attraverso questi avvolgimenti sulla stessa gamba, presentano un'impedenza bassa, risultando in una caduta di tensione minima. 

Durante un guasto a terra, gli avvolgimenti portano correnti di sequenza positiva, negativa e zero. L'avvolgimento presenta un'alta impedenza alle correnti di sequenza positiva e negativa, ma un'impedenza bassa alla corrente di sequenza zero perché, all'interno della stessa fase, i due avvolgimenti sono collegati in serie con polarità opposta—le loro forze elettromotrici indotte sono uguali in modulo ma opposte in direzione, annullandosi quindi a vicenda.

Molti trasformatori di messa a terra vengono utilizzati esclusivamente per fornire un punto neutro a bassa resistenza e non forniscono alcun carico secondario; pertanto, molti sono progettati senza un avvolgimento secondario. Durante l'operazione normale della rete, il trasformatore di messa a terra opera essenzialmente in uno stato senza carico. Tuttavia, durante un guasto, porta la corrente di guasto solo per una breve durata. In un sistema a messa a terra a bassa resistenza, quando si verifica un guasto a terra monofase, la protezione di sequenza zero altamente sensibile identifica rapidamente e isola temporaneamente il ramo difettoso. 

Il trasformatore di messa a terra è attivo solo durante il breve intervallo tra l'occasione del guasto e l'operazione della protezione di sequenza zero del ramo. Durante questo periodo, la corrente di sequenza zero fluisce attraverso il resistore di messa a terra del punto neutro e il trasformatore di messa a terra, seguendo la formula: IR = U / R₁, dove U è la tensione di fase del sistema e R₁ è la resistenza di messa a terra del punto neutro.

Conseguenze quando l'arco di messa a terra non può essere spento in modo affidabile

• L'estinzione intermittente e la riaccesa dell'arco a terra monofase generano sovratensioni di arco a terra con ampiezze che raggiungono fino a 4U (dove U è la tensione di picco di fase) o anche superiori, durando per periodi prolungati. Ciò rappresenta gravi minacce per l'isolamento degli apparecchi elettrici, potenzialmente causando rotture nei punti di isolamento deboli e portando a perdite significative.

• L'arco sostenuto ionizza l'aria circostante, degradandone le proprietà isolanti e aumentando la probabilità di cortocircuiti tra fasi.

• Possono verificarsi sovratensioni ferroresonanti, danneggiando facilmente i trasformatori di tensione e i limitatori di sovratensione—potenzialmente causando esplosioni dei limitatori. Queste conseguenze mettono gravemente a repentaglio l'integrità dell'isolamento degli apparecchi della rete e minacciano la sicura operatività dell'intero sistema di potenza.

Cosa sono le correnti di sequenza positiva, negativa e zero?

• Corrente di sequenza negativa: la Fase A è sfasata rispetto alla Fase B di 120°, la Fase B è sfasata rispetto alla Fase C di 120° e la Fase C è sfasata rispetto alla Fase A di 120°.

• Corrente di sequenza positiva: la Fase A anticipa la Fase B di 120°, la Fase B anticipa la Fase C di 120° e la Fase C anticipa la Fase A di 120°.

• Corrente di sequenza zero: tutte e tre le fasi (A, B, C) sono in fase—nessuna fase anticipa o è sfasata rispetto all'altra.

Durante i guasti a cortocircuito trifase e l'operazione normale, il sistema contiene solo componenti di sequenza positiva.
Durante i guasti a terra monofase, il sistema contiene componenti di sequenza positiva, negativa e zero.
Durante i guasti a cortocircuito bifase, il sistema contiene componenti di sequenza positiva e negativa.
Durante i guasti a cortocircuito bifase a terra, il sistema contiene componenti di sequenza positiva, negativa e zero.

Caratteristiche operative dei trasformatori di messa a terra

Il trasformatore di terra funziona in condizioni a vuoto durante l'operazione normale della rete e sperimenta un sovraccarico a breve termine in caso di guasti. In sintesi, la funzione del trasformatore di terra è quella di creare artificialmente un punto neutro per la connessione di una resistenza di terra. Durante un guasto a terra, presenta un'alta impedenza alle correnti di sequenza positiva e negativa, ma un'impedenza bassa alla corrente di sequenza zero, assicurando il funzionamento affidabile della protezione contro i guasti a terra.

Terra neutrale tramite sistemi a bobina di soppressione dell'arco

Quando si verifica un guasto a terra monofase transitorio nella rete a causa di isolamento dei dispositivi insufficiente, danno esterno, errore dell'operatore, sovratensione interna o qualsiasi altra causa, la corrente del guasto a terra fluisce attraverso la bobina di soppressione dell'arco come corrente induttiva, che è opposta in direzione alla corrente capacitiva. Ciò può ridurre la corrente nel punto del guasto a un valore molto piccolo o persino a zero, spegnendo così l'arco e eliminando i pericoli associati. Il guasto si risolve automaticamente senza attivare la protezione a relè o il trip del circuit breaker, migliorando significativamente l'affidabilità dell'energia elettrica.

Tre modalità operative di compensazione

Esistono tre diverse modalità operative di compensazione: sottocompensazione, compensazione completa e sovracom-pensazione.

• Sottocompensazione: La corrente induttiva dopo la compensazione è inferiore alla corrente capacitiva.

• Sovracompensazione: La corrente induttiva dopo la compensazione è superiore alla corrente capacitiva.

• Compensazione completa: La corrente induttiva dopo la compensazione è uguale alla corrente capacitiva.

Modalità di compensazione utilizzata nei sistemi di terra neutrale con bobina di soppressione dell'arco

Nei sistemi con terra neutrale attraverso una bobina di soppressione dell'arco, la compensazione completa deve essere evitata. Indipendentemente dall'entità della tensione di squilibrio del sistema, la compensazione completa può causare risonanza seriale, sottoponendo la bobina di soppressione dell'arco a tensioni pericolosamente elevate. Pertanto, in pratica si adotta la sovracom-pensazione o la sottocompensazione, con la sovracom-pensazione che è la modalità più comunemente utilizzata.

Principali motivi per l'adozione della sovracom-pensazione

Nei sistemi sottocompensati, possono facilmente verificarsi sovratensioni elevate durante i guasti. Ad esempio, se parte delle linee viene disconnessa a causa di un guasto o per altri motivi, un sistema sottocompensato potrebbe spostarsi verso la compensazione completa, causando risonanza seriale e risultando in una tensione di spostamento neutrale molto alta e sovratensione. Un grande spostamento neutrale nei sistemi sottocompensati minaccia anche l'integrità dell'isolamento, un inconveniente che non può essere evitato fintanto che si utilizza la sottocompensazione.

Durante il funzionamento normale di un sistema sottocompensato con un notevole squilibrio trifase, possono verificarsi sovratensioni ferroresonanti molto elevate. Questo fenomeno deriva dalla risonanza ferromagnetica tra la bobina di soppressione dell'arco sottocompensata (dove ωL > 1/(3ωC₀)) e la capacità della linea (3C₀). Tale risonanza non si verifica con la sovracom-pensazione.

I sistemi di energia elettrica si espandono continuamente e la capacità di terra della rete aumenta di conseguenza. Con la sovracom-pensazione, la bobina di soppressione dell'arco originariamente installata può rimanere in servizio per un certo periodo - anche se alla fine tende verso la sottocompensazione. Tuttavia, se il sistema inizia con la sottocompensazione, qualsiasi espansione richiede immediatamente una capacità di compensazione aggiuntiva.

Con la sovracom-pensazione, la corrente che fluisce attraverso il punto del guasto è induttiva. Dopo l'estinzione dell'arco, il tasso di recupero della tensione della fase guastata è più lento, rendendo meno probabile la riaccesa dell'arco.

In condizioni di sovracom-pensazione, una diminuzione della frequenza del sistema aumenta solo temporaneamente il grado di sovracom-pensazione, il che non costituisce un problema durante il funzionamento normale. Al contrario, la sottocompensazione combinata con una frequenza ridotta può portare il sistema vicino alla compensazione completa, causando un aumento della tensione di spostamento neutrale.

Riepilogo

Il trasformatore di terra funge anche da trasformatore di stazione, abbassando la tensione da 35 kV a 380 V per alimentare la carica delle batterie, la potenza dei ventilatori SVG, l'illuminazione di manutenzione e le altre carichi ausiliari della stazione.

Nelle reti elettriche moderne, i cavi stanno sostituendo ampiamente le linee aeree. Poiché la corrente di guasto a terra monofase capacitiva delle linee cavo è molto maggiore di quella delle linee aeree, la terra neutrale tramite bobina di soppressione dell'arco spesso non riesce a spegnere l'arco del guasto e a sopprimere le pericolose sovratensioni risonanti. Pertanto, la nostra sottostazione adotta uno schema di terra neutrale a bassa resistenza. Questo approccio è simile ai sistemi con terra neutrale solidale e richiede l'installazione di protezioni contro i guasti a terra monofase che azionano il trip dei circuit breakers. In caso di guasto a terra monofase, il ramo difettoso viene rapidamente isolato.