Quali sono i Tipi Comuni e le Caratteristiche dei Sovratensioni nella Rete di Distribuzione

Le reti di distribuzione, caratterizzate da una vasta diffusione, un gran numero di apparecchiature e un basso livello di isolamento, sono soggette a incidenti di isolamento causati da sovratensioni. Questo non solo riduce la stabilità dell'intero sistema di distribuzione e le prestazioni di isolamento delle linee, ma ha anche un impatto significativo e negativo sulla sicura operatività della rete elettrica e sullo sviluppo sano e sostenibile dell'industria elettrica.

Dal punto di vista del circuito, oltre alla fonte di alimentazione, il sistema elettrico può essere rappresentato equivalentemente da diverse combinazioni di tre componenti tipici: resistenza (R), induttanza (L) e capacità (C). Tra questi, l'induttanza (L) e la capacità (C) sono componenti di accumulo di energia, che sono le condizioni basilari per la formazione di sovratensioni; la resistenza (R) è un componente dissipatore di energia, che generalmente può inibire lo sviluppo di sovratensioni. Tuttavia, in alcuni casi, l'aggiunta impropria di resistenze può anche portare alla comparsa di sovratensioni.

Tipi Comuni e Caratteristiche delle Sovratensioni nelle Reti di Distribuzione

I tipi comuni di sovratensioni nelle reti di distribuzione includono principalmente la sovratensione intermittente da arco a terra, la sovratensione da risonanza lineare e la sovratensione da ferroresonanza (inclusa la sovratensione da risonanza da disconnessione e la sovratensione da saturazione PT).

Sovratensione Intermittente da Arco a Terra

La sovratensione intermittente da arco a terra è un tipo di sovratensione da commutazione. La sua ampiezza è legata a fattori come le caratteristiche degli apparecchi elettrici, la struttura del sistema, i parametri di funzionamento, le modalità di operazione o di guasto, ed ha una evidente casualità. È più comune nelle reti elettriche con punto neutro non efficacemente collegato a terra.

L'energia della sovratensione da commutazione proviene dal sistema elettrico stesso, e la sua ampiezza è approssimativamente proporzionale al voltaggio nominale del sistema. Di solito viene espressa come multiplo dell'ampiezza massima del voltaggio di fase in funzionamento del sistema. Quando le operazioni o i guasti causano cambiamenti nello stato di funzionamento della rete elettrica, l'energia magnetica accumulata nei componenti induttivi verrà convertita nell'energia elettrica dei componenti capacativi in un determinato momento, generando un processo transitorio oscillante, dando origine a una sovratensione transitoria di diversi volte superiore al voltaggio di alimentazione, chiamata sovratensione da commutazione.

Gli archi intermittenti causano ripetuti cambiamenti nello stato di funzionamento della rete elettrica, portando a oscillazioni elettromagnetiche nei circuiti induttivi e capacativi, e quindi a processi transitori nelle fasi non difettose, nella fase difettosa e nel punto neutro, generando sovratensioni. Questo è la sovratensione intermittente da arco a terra (anche nota come sovratensione da arco a terra). Il suo meccanismo di formazione è strettamente correlato all'estinzione e alla riaccesa dell'arco: ogni volta che la corrente di guasto a terra attraversa naturalmente lo zero, l'arco a terra avrà un breve periodo di estinzione; quando il voltaggio di recupero del canale dell'arco è maggiore della sua forza dielettrica di recupero, l'arco si riaccerterà. Specificatamente:

• Quando la corrente di aterramento è grande, il canale dell'arco è fortemente ionizzato e l'arco brucia in modo stabile;

• Quando la corrente è piccola, la forza dielettrica del canale dell'arco si ripristina rapidamente, l'arco è difficile da riaccedere e l'estinzione temporanea può trasformarsi in estinzione permanente;

• Quando la corrente è moderata, si forma un fenomeno di aterramento intermittente da arco che si accende e spegne.

La sovratensione da arco a terra grave è causata dall'accumulo continuo di energia nella rete elettrica. Dal punto di vista del limitare la sovratensione, se la carica eccessiva accumulata nella rete elettrica durante il processo di accensione ed estinzione dell'arco può fuoriuscire attraverso la resistenza entro mezzo ciclo di frequenza di rete dopo l'estinzione dell'arco, il voltaggio di spostamento del punto neutro sarà quasi zero e non causerà sovratensioni ad alta ampiezza.

Sovratensione da Risonanza Lineare

Nella rete elettrica, la sovratensione generata dalla risonanza in serie tra componenti induttivi senza nucleo (come l'induttanza della linea, l'induttanza di dispersione del trasformatore, ecc.) o componenti induttivi con nucleo ferroso le cui caratteristiche di eccitazione sono vicine a lineari (come bobine di compensazione, ecc.) e componenti capacativi nella rete elettrica (come la capacità linea-terra, ecc.) sotto l'azione di tensioni asimmetriche è chiamata sovratensione da risonanza lineare. La sua forma più comune è lo spostamento del voltaggio del punto neutro.

Secondo lo standard industriale DL/T620-1997 "Protezione contro sovratensioni e coordinazione dell'isolamento per dispositivi elettrici a corrente alternata", nel sistema con punto neutro collegato a terra tramite bobina di compensazione, in condizioni di funzionamento normali, lo spostamento del voltaggio del punto neutro a lungo termine non dovrebbe superare il 15% del voltaggio di fase nominale del sistema.

Sovratensione da Ferroresonanza

Nel circuito oscillante del sistema elettrico, la sovratensione persistente ad alta ampiezza stimolata dalla saturazione dell'induttanza a nucleo ferroso è chiamata sovratensione da ferroresonanza. Ci sono due tipi tipici di sovratensione da ferroresonanza nelle reti di distribuzione fino a 35kV, ovvero la sovratensione causata dalla risonanza da disconnessione e la sovratensione causata dalla saturazione PT, collettivamente note come sovratensione da risonanza non lineare. Ha caratteristiche e proprietà completamente diverse rispetto alla sovratensione da risonanza lineare e alla sovratensione intermittente da arco a terra. Con diverse combinazioni di parametri, possono verificarsi sovratensioni da risonanza a frequenza fondamentale, a frazione di frequenza e a alta frequenza.

• Sovratensione da Risonanza da Disconnessione: Quando il sistema è in funzionamento non a tre fasi a causa di rotture di cavo, azioni non a tre fasi degli interruttori, operazioni asincrone severe, fusione di uno o due fusibili ad alta tensione, ecc., la sovratensione da ferroresonanza generata è la sovratensione da risonanza da disconnessione. Quando si verifica una disconnessione, il potenziale simmetrico a tre fasi di solito alimenta carichi asimmetrici a tre fasi, e il circuito è complesso e contiene componenti non lineari. Pertanto, è necessario utilizzare il teorema di Thevenin e il metodo dei componenti simmetrici per convertire il circuito a tre fasi in un circuito equivalente monofase, ordinarlo nel circuito LC in serie più semplice, e poi analizzare le condizioni di risonanza e svolgere calcoli e analisi. Esistono tre forme di guasti di disconnessione di una fase: disconnessione senza aterramento, disconnessione con aterramento dal lato di alimentazione e disconnessione con aterramento dal lato di carico.

• Sovratensione da Saturazione PT: Nel sistema con punto neutro non efficacemente collegato a terra, sono solitamente installati trasformatori elettromagnetici di tensione (PT) connessi Y0 sulle busbar delle centrali elettriche e delle sottostazioni per monitorare le condizioni di isolamento. Durante il funzionamento normale, l'impedenza di eccitazione del trasformatore elettromagnetico di tensione è molto alta, quindi l'impedenza a terra della rete è capacitiva e le tre fasi sono sostanzialmente bilanciate. Tuttavia, dopo alcune operazioni di commutazione o la scomparsa di guasti a terra, formeranno un circuito di risonanza speciale trifase o monofase con la capacità del cavo o la capacità parassita di altre apparecchiature, e possono stimolare sovratensioni da ferroresonanza di vari armonici, chiamate sovratensioni da saturazione PT. Tra queste, la sovratensione da risonanza a frazione di frequenza è la più dannosa. Causa un aumento significativo della corrente di eccitazione per un lungo periodo, brucia il fusibile del trasformatore e può persino causare un surriscaldamento grave del trasformatore, fuoriuscita d'olio o addirittura esplosione. Inoltre, la sovratensione da saturazione del trasformatore di tensione presenta caratteristiche evidenti di sequenza zero.

Sovratensione da Fulmine

Il fulmine è essenzialmente un fenomeno di scarica non-spark in un campo elettrico estremamente inomogeneo con un gap d'aria ultralungo. Il suo processo di base include la scarica pilota, la scarica principale e la scarica postuma. Ogni corrente di fulmine formata da un fulmine di polarità negativa ha una forma d'onda impulsiva unipolare. I parametri principali che descrivono la forma d'onda impulsiva sono il valore di picco, il tempo di fronte d'onda e il tempo a metà picco.

La sovratensione da fulmine è divisa in sovratensione diretta da fulmine e sovratensione indotta da fulmine. Tra queste, la sovratensione indotta da fulmine include la componente di induzione elettrostatica (principalmente) e la componente di induzione elettromagnetica, con le seguenti caratteristiche:

• La polarità è opposta a quella della nuvola temporalesca, cioè opposta alla polarità della corrente di fulmine;

• Appare contemporaneamente in tre fasi con valori sostanzialmente uguali, e non ci sarà differenza di potenziale tra le fasi né flashover tra le fasi;

• Se l'ampiezza è grande, potrebbe causare un flashover a terra;

• La forma d'onda è più piatta e lunga rispetto a quella della sovratensione diretta da fulmine;

• Se c'è una linea di protezione a terra sopra il cavo, la sovratensione indotta sul cavo sarà ridotta a causa dell'effetto di schermatura elettromagnetica. Più vicino è il distacco tra le linee, maggiore è il coefficiente di accoppiamento e minore è la sovratensione indotta sul cavo.

In genere, per le reti di distribuzione fino a 35kV, non vengono erette linee di protezione a terra lungo l'intera linea, e vengono posizionate solo 1-2 km di linee di protezione a terra all'ingresso e all'uscita delle sottostazioni come protezione per la sezione di ingresso.