Tipi di guasti nel sistema elettrico

Sistema Elettrico: Definizione e Classificazione dei Guasti

Un guasto nel sistema elettrico è definito come un'anomalia o difetto che causa la deviazione della corrente elettrica dal suo percorso di flusso previsto. Quando si verifica un guasto, crea condizioni operative anormali, principalmente riducendo la resistenza isolante tra i conduttori. Questo degrado dell'isolamento può portare a danni gravi ai componenti del sistema elettrico, interrompere la fornitura normale di energia e rappresentare rischi per la sicurezza.

I guasti del sistema elettrico sono principalmente classificati in due tipi principali:

• Guasto a circuito aperto: Questo tipo di guasto si verifica quando c'è una rottura o discontinuità nel circuito elettrico, impedendo il flusso normale della corrente. Può derivare da conduttori danneggiati, connessioni allentate o malfunzionamenti di componenti elettrici.

• Guasto a cortocircuito: In un guasto a cortocircuito, c'è un percorso non intenzionale ad alta conduttività tra due o più conduttori, causando un flusso di corrente elevato. Questo può essere dovuto al cedimento dell'isolamento, al contatto fisico tra i conduttori o a malfunzionamenti dell'equipaggiamento.

Le varie sottotipologie e manifestazioni di questi guasti del sistema elettrico sono illustrate nell'immagine fornita di seguito.

Cause e Classificazione dei Guasti del Sistema Elettrico

I guasti del sistema elettrico possono verificarsi a causa di molteplici disturbi naturali. Eventi come fulmini, venti ad alta velocità e terremoti possono tutti scatenare guasti. I fulmini, con le loro intense scariche elettriche, possono danneggiare l'isolamento e interrompere il flusso normale di corrente. I venti ad alta velocità possono abbattere linee elettriche o far oscillare i conduttori fino a farli entrare in contatto con altri oggetti, mentre i terremoti possono dislocare le infrastrutture, portando a conduttori rotti e componenti elettrici danneggiati.

I guasti possono anche essere il risultato di vari incidenti. Ad esempio, un albero che cade su linee elettriche, un veicolo che collide con una struttura di sostegno o un aereo che si schianta sull'infrastruttura elettrica possono tutti portare a interruzioni nel sistema elettrico. Questi eventi accidentali possono danneggiare direttamente i conduttori, gli isolatori o altre parti vitali della rete elettrica, causando guasti.

1. Guasto a Circuito Aperto

Un guasto a circuito aperto si verifica principalmente quando uno o due conduttori falliscono. Poiché questo tipo di guasto avviene in serie con la linea elettrica, è anche noto come guasto in serie. I guasti a circuito aperto hanno un impatto significativo sulla affidabilità del sistema elettrico, spesso causando interruzioni nella fornitura di energia e potenziali danni alle apparecchiature collegate.

I guasti a circuito aperto possono essere ulteriormente categorizzati nei seguenti tipi:

• Guasto a conduttore aperto: Si verifica quando un singolo conduttore nel circuito elettrico si rompe o viene disconnesso, interrompendo il flusso di corrente attraverso quel particolare percorso.

• Guasto a due conduttori aperti: In questo scenario, due dei conduttori nel sistema falliscono, creando una perturbazione più grave al flusso elettrico. Questo tipo di guasto può portare a condizioni non bilanciate e può causare stress aggiuntivo sui componenti rimanenti del sistema.

• Guasto a tre conduttori aperti: La forma più rara e grave di guasto a circuito aperto, coinvolge il fallimento di tutti e tre i conduttori in un sistema trifase. Questo comporta una perdita completa della trasmissione di energia e può avere conseguenze ampie per la rete elettrica e i carichi collegati.

Le diverse configurazioni dei guasti a circuito aperto sono illustrate nella figura sottostante, fornendo una rappresentazione visiva di come questi guasti si manifestano all'interno del sistema elettrico.

2. Guasto a Cortocircuito

Un guasto a cortocircuito si verifica quando i conduttori di fasi diverse entrano in contatto tra loro all'interno di una linea elettrica, un trasformatore o altri elementi del circuito. Questa connessione non intenzionale causa un flusso di corrente sostanziale attraverso una o due fasi del sistema elettrico. I guasti a cortocircuito possono essere ulteriormente classificati in due categorie principali: simmetrici e asimmetrici.

Guasto Simmetrico

I guasti simmetrici sono quelli che coinvolgono tutte e tre le fasi di un sistema elettrico. Notevolmente, questi guasti mantengono uno stato di equilibrio anche dopo l'evento del guasto. I guasti simmetrici si verificano principalmente ai terminali dei generatori. L'inizio di tali guasti può essere attribuito a vari fattori, come la resistenza dell'arco elettrico formato tra i conduttori durante il guasto o la presenza di una bassa resistenza di fondamenta nel sistema di messa a terra.

I guasti simmetrici sono suddivisi in due tipi distinti: guasto fra fasi e guasto trifase a terra.

a. Guasto Fra Fasi

I guasti fra fasi (L-L-L) sono caratterizzati dalla loro natura bilanciata. Anche dopo il guasto, il sistema elettrico mantiene la sua simmetria. Sebbene relativamente rari, i guasti fra fasi sono tra i tipi più gravi di guasti a cortocircuito. Generano le correnti di guasto più elevate nel sistema, che giocano un ruolo cruciale nella determinazione dei requisiti di taratura degli interruttori. La capacità degli interruttori di interrompere queste correnti di altissima intensità in modo sicuro ed efficace è direttamente influenzata dalle caratteristiche dei guasti fra fasi, rendendoli una considerazione chiave nella progettazione e protezione del sistema elettrico.

b. L–L–L–G (Guasto Trifase a Terra)

Un guasto trifase a terra (L–L–L–G) comprende tutte e tre le fasi del sistema elettrico. In questo scenario, si stabilisce una connessione tra tutte e tre le fasi e il terra del sistema. Anche se meno comune rispetto ad alcuni altri tipi di guasti, il guasto L–L–L–G ha un'importanza significativa nell'analisi del sistema elettrico. Statisticamente, la probabilità di tale guasto è di circa il 2-3 percento. Nonostante questa probabilità relativamente bassa, quando si verifica un guasto L–L–L–G, può generare correnti di guasto sostanziali e causare interruzioni ampie al sistema elettrico, richiedendo misure protettive robuste e una attenta considerazione nella progettazione e operatività del sistema.

Guasto Asimmetrico

Un guasto asimmetrico è definito come una condizione nel sistema elettrico che genera correnti asimmetriche, dove le magnitudini e le fasi delle correnti nelle tre fasi differiscono significativamente tra loro. Questo tipo di guasto tipicamente coinvolge una o due fasi, come guasto fase-terra (L-G), guasto fra fasi (L-L) o doppio guasto fase-terra (L-L-G). A causa di questi guasti, il sistema elettrico diventa squilibrato, il che può portare a una varietà di problemi operativi e potenziali danni all'equipaggiamento.

I guasti asimmetrici possono essere principalmente classificati in tre tipi distinti:

• Guasto Singolo Fase-Terra (L–G)

• Guasto Fra Fasi (L–L)

• Doppio Guasto Fase-Terra (L–L–G)

Tra tutti i tipi di guasti del sistema elettrico, i guasti asimmetrici sono i più comuni.

1. Guasto Singolo Fase-Terra (L–G)

Un guasto singolo fase-terra si verifica quando uno dei conduttori entra in contatto con il terra o tocca il conduttore neutro. Questo tipo di guasto è estremamente diffuso, rappresentando una percentuale sorprendente del 70-80% di tutti i guasti che si verificano nei sistemi elettrici. La sua alta frequenza di occorrenza lo rende una preoccupazione critica per gli operatori e gli ingegneri del sistema elettrico, che devono implementare misure protettive efficaci per mitigarne i potenziali impatti sulla stabilità e affidabilità del sistema.

3. Doppio Guasto Fase-Terra (L–L–G)

In un doppio guasto fase-terra, due conduttori entrano contemporaneamente in contatto tra loro e con il terra. Questo scenario di guasto crea un percorso elettrico complesso che interrompe il funzionamento normale del sistema elettrico. Sebbene meno comune rispetto ai guasti singoli fase-terra, i doppî guasti fase-terra presentano ancora rischi significativi per la stabilità del sistema e l'integrità dell'equipaggiamento. Statisticamente, la probabilità di un doppio guasto fase-terra è di circa il 10% di tutti i guasti del sistema elettrico. Questa probabilità relativamente bassa ma non trascurabile sottolinea l'importanza di incorporare strategie di protezione e mitigazione complete all'interno dei sistemi elettrici per proteggere contro i potenziali danni e interruzioni operative causati da tali guasti.