Metodi di messa a terra del neutro del sistema di alimentazione: una guida completa per l'ingegnere elettrico

Introduzione

 

Nei sistemi di alimentazione elettrica, il modo in cui il punto neutro di un trasformatore o generatore è messo a terra gioca un ruolo fondamentale nel determinare la sicurezza, l'affidabilità e la progettazione dell'isolamento del sistema. Il metodo di messa a terra del neutro influisce direttamente sull'entità della corrente di guasto, sui livelli di sovratensione, sulla complessità dello schema di protezione e sulla qualità complessiva dell'alimentazione.

La scelta del giusto metodo di messa a terra del neutro è una delle decisioni progettuali più fondamentali nell'ingegneria dei sistemi di alimentazione. Questa guida completa esplora i tre metodi di messa a terra del punto neutro più ampiamente adottati nei sistemi di alimentazione, i relativi principi di funzionamento, vantaggi, limitazioni e scenari applicativi tipici.

Classificazione dei metodi di messa a terra del neutro

 

I metodi di messa a terra neutra del sistema di alimentazione sono ampiamente classificati indue categorie:

1. Grandi sistemi di corrente di guasto-di terra

In questi sistemi il punto neutro è direttamente messo a terra oppure messo a terra a bassa impedenza. Quando si verifica un guasto mono-fase-a-terra, una grande corrente di cortocircuito-corre attraverso il percorso del guasto, consentendo un rilevamento rapido e selettivo del guasto da parte dei relè di protezione.

2. Piccoli sistemi di corrente di guasto-di terra

In questi sistemi, il punto neutro è senza messa a terra, messo a terra tramite una bobina di soppressione dell'arco (bobina di Petersen) o messo a terra tramite un'alta impedenza. La corrente di guasto a terra-è notevolmente inferiore rispetto ai sistemi di corrente-di guasto a terra di grandi dimensioni, il che consente un funzionamento continuato temporaneo ma richiede meccanismi di rilevamento specializzati.

Tra tutte le configurazioni di messa a terra neutra, tre metodi sono più comunemente utilizzati in tutto il mondo:

Sistema neutro senza messa a terra(punto neutro non collegato a terra)

Sistema di messa a terra della bobina di soppressione dell'arco(punto neutro messo a terra tramite bobina di Petersen)

Sistema neutro solidamente collegato a terra(punto neutro direttamente collegato a terra)

 

1. Sistema neutro senza messa a terra

 

Principio di funzionamento

In un sistema neutro senza messa a terra (noto anche come sistema neutro isolato), il punto neutro del trasformatore o generatore non è fisicamente collegato a terra. Quando in questo sistema si verifica un guasto singolo-da fase-a-terra, il guasto non crea un percorso di cortocircuito-. Invece, la corrente che scorre attraverso il punto di guasto è esclusivamente la corrente capacitiva del sistema, che scorre attraverso la capacità distribuita delle fasi non di guasto verso terra.

Caratteristiche chiave

Continuità della fornitura

Uno dei vantaggi principali del sistema con neutro senza messa a terra è che un guasto a terra monofase-non interrompe l'alimentazione. Poiché le tensioni da fase-a-fase rimangono invariate, i carichi collegati attraverso la tensione da fase-a-fase possono continuare a funzionare normalmente. Ciò rende il sistema senza messa a terra particolarmente interessante per gli impianti industriali in cui la continuità del servizio è fondamentale.

Aumento della tensione sulle fasi non-di guasto

Tuttavia, questo vantaggio comporta un rischio significativo. Quando una fase viene messa a terra, la tensione delle fasi non-guaste aumenta fino a √3 volte (circa 1,732 volte) la normale tensione da fase-a-terra. Ciò significa che l'isolamento di tutte le apparecchiature del sistema è soggetto alla tensione da linea-a-linea durante un guasto a terra.

⚠️ Nota tecnica:Non è consentito il funzionamento prolungato in condizioni di guasto a terra monofase-. La tensione elevata sulle fasi non-di guasto può causare la rottura dell'isolamento nei punti deboli, portando potenzialmente a un cortocircuito a terra bifase -un guasto molto più grave che può causare danni estesi alle apparecchiature.

Messa a terra dell'arco intermittente e sovratensione

Il problema dell'autoestinzione dell'arco-

Quando ilcorrente di guasto capacitiva verso terra-è relativamente grande, l'arco nel punto di faglia diventa difficile da auto-estinguersi. In alcuni casi, unarco intermittente- uno che periodicamente si spegne e si riaccende - potrebbe formarsi nel punto in cui si verifica il guasto a terra.

Meccanismo di sovratensione

La rete di alimentazione è essenzialmente un circuito di oscillazione LC composto da induttanza e capacità. Un arco intermittente genera oscillazioni ad alta-frequenza, producendo sovratensioni sull'isolamento fase-terra-che possono raggiungereDa 2,5 a 3 volte la normale tensione di fase (Ux).

Queste sovratensioni si propagano attraverso l'intera rete collegata elettricamente, aumentando drasticamente il rischio di scariche di isolamento su altre fasi - che possono degenerare in unguasto a terra bifase-e causare gravi danni alle apparecchiature elettriche.

 

Limiti e standard attuali

 

Per prevenire danni da sovratensione legati all'arco-, gli standard di settore impongono limiti rigorosicorrente capacitiva di guasto a terra-nei sistemi senza messa a terra:

Livello di tensione	Corrente capacitiva di guasto massima verso terra-	Ragionamento
3–10 kV	Inferiore o uguale a 30 A	L'arco non può auto-estinguersi al di sopra di questa soglia
20–60 kV	Inferiore o uguale a 10 A	Una tensione più elevata rende gli archi più difficili da estinguere; la sovratensione è più pericolosa per l'isolamento

PerReti 3–10 kV, se la corrente capacitiva di terra monofase supera 30 A, l'arco nel punto di guasto non può autoestinguersi. PerReti 20–60 kV, la situazione è ancora più critica - la sovratensione causata da archi intermittenti è maggiore, comportando un pericolo maggiore per l'isolamento delle apparecchiature, e la tensione più elevata rende l'auto-estinzione dell'arco più difficile. Pertanto, il limite della corrente di guasto a terra-è ridotto a 10 A a questi livelli di tensione.

 

Requisiti di monitoraggio e protezione

 

Nei sistemi neutri senza messa a terra, è necessario installare dispositivi specializzati per il monitoraggio dei guasti a terra-. Questi dispositivi consentono agli operatori di:

Rileva tempestivamente i guasti a terra monofase-attraverso schemi di relè di tensione che monitorano la tensione di sequenza zero-(tensione di spostamento)

Identificare l'alimentatore difettosoutilizzando relè direzionali di guasto a terra-o metodi di iniezione di impulsi

Isolare la sezione difettosaprima che si trasformi in un errore più grave

Considerazioni sulla progettazione dell'isolamento

Poiché le tensioni di fase non-di guasto salgono atensione da linea-a-lineadurante un guasto verso terra, tutto l'isolamento da fase-a-terra nei sistemi senza messa a terra deve essere progettato pertensione completa da linea-a-linea, non solo la tensione da fase-a-terra. Ciò aumenta i costi di isolamento, in particolare a livelli di tensione più elevati.

 

Applicazioni tipiche

Il sistema neutro senza messa a terra è comunemente usato in:

Reti industriali a bassa e media tensione(3–10 kV) dove viene data priorità alla continuità del servizio

Sistemi ausiliari delle centrali elettrichedove il funzionamento temporaneo con guasto a terra è accettabile

Sistemi con corrente capacitiva totale bassa(reti in cavo corto, reti aeree)

Riepilogo vantaggi e svantaggi

 

Vantaggi dei sistemi neutri senza messa a terra

Alimentazione ininterrottadurante i guasti a terra monofase-

Corrente di guasto-a terra bassariduce al minimo i danni nel luogo del guasto

Non è necessario intervenire immediatamente- concede tempo per la localizzazione del guasto e l'isolamento pianificato

Tensioni di passo e di contatto ridottedurante i guasti a terra

Svantaggi dei sistemi neutri senza messa a terra

Rischio di sovratensione- archi intermittenti possono causare una sovratensione di 2,5–3 volte

È richiesto l'isolamento completo da linea-a-linea- aumenta il costo dell'attrezzatura

Rilevamento guasti difficileLa - piccola corrente di guasto-verso terra rende difficile la protezione selettiva

Rischio di escalation dei guasti- un funzionamento prolungato può causare guasti a terra bifase

Rigorosi limiti di corrente capacitiva- non adatto a reti con elevata corrente capacitiva

 

Conclusione

 

ILsistema neutro senza messa a terraoffre preziosi vantaggi in termini di continuità del servizio, in particolare nelle applicazioni industriali a media-tensione. Tuttavia, i suoi limiti - inclusi i rischi di sovratensione, i rigorosi limiti di corrente capacitiva e le penalità sui costi di isolamento - devono essere attentamente valutati durante la progettazione del sistema.

Quando la corrente capacitiva di guasto a terra-supera i limiti consentiti, il sistema deve passare a una corrente capacitivaSistema di messa a terra della bobina di soppressione dell'arcoo adottare metodi di messa a terra alternativi. Nel nostro articolo associato,"Bobina di soppressione dell'arco e messa a terra solida nei sistemi di alimentazione: approfondimento tecnico",esploriamo nel dettaglio questi due metodi critici di messa a terra, compresi i principi di funzionamento, gli schemi di protezione e le linee guida applicative per le reti elettriche ad alta-tensione.