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Qualit dellenergia: show it easy!

34 Schneider Electric

SECONDA PARTE

In questa parte della pubblicazione si introdurranno alcune argomentazioni tecniche necessarie per comprendere meglio gli esempi pratici riportati nella terza parte della pubblicazione e riferiti alla rete di distribuzione pubblica e in impianto.

Chiaramente si tratteranno questi argomenti senza approfondirne i contenuti per non appesantirli con innumerevoli nozioni di elettrotecnica teorica di cui si dovrebbe dibattere. Limportante sar cogliere la circostanza che potr diventare lo spunto di un ulteriore approfondimento tecnico da parte del lettore.

Il risultato di questo secondo capitolo comprende quindi un mix trasversale dinformazioni di base teoriche applicate a esempi reali di fenomeni elettromagnetici.

comunque lecito e importante rilevare che le varie parentesi aperte, sempre relative agli argomenti trattati, sottintendono di solito ad altrettanti argomenti discussi e normati dai vari comitati tecnici nazionali e internazionali, specialmente nel merito della sicurezza o contro il pericolo della folgorazione della persona fisica. Non si pu, ad esempio, disquisire di sistemi di distribuzione dimenticandosi le regole che vincolano tali sistemi a precise condizioni e verifiche progettuali nel merito della protezione dai contatti diretti o indiretti. La scelta di semplificare gli argomenti trattati non deve comunque far dimenticare al lettore lesistenza di questi legami.

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35Schneider Electric

SommarioSeconda Parte

12. La propagazione dei disturbi sulle reti di distribuzione ................................................ p 36

13. Linee elettriche: correlazioni tra tensione di arrivo e partenza .................................... p 39

14. I sistemi di distribuzione elettrica ..................................................................................... p 4314.1 La rete di mt e le correnti capacitive: approfondimento! ........................................... p 47

15. Disturbi elettromagnetici condotti di bassa frequenza tipici ......................................... p 5115.1 La variazione della tensione ....................................................................................... p 51

15.2 Variazione rapida della tensione ................................................................................ p 52

15.3 Buco di tensione ......................................................................................................... p 55

15.4 Breve e lunga interruzione elettrica ............................................................................ p 57

15.5 Sovratensioni elettriche a frequenza di rete ................................................................ p 59

15.6 Sovratensioni elettriche transitorie .............................................................................. p 61

15.7 Armoniche ................................................................................................................... p 70

15.8 Risonanza elettrica ...................................................................................................... p 79

15.9 Ferrorisonanza ............................................................................................................. p 83

15.10 Dissimmetria della tensione e squilibrio della corrente ............................................... p 87

15.11 Flicker .......................................................................................................................... p 89

15.12 Frequenza: .................................................................................................................. p 91

15.13 Fattore di potenza ....................................................................................................... p 94

16. Influenze indirette alla qualit dellenergia ...................................................................... p 99

17. Collegamenti equipotenziali messa a terra ................................................................. p 103




12. La propagazione dei disturbi sulle reti di distribuzione Il seguente capitolo vuole dimostrare come la capacit di una rete di distribuzione a contenere i disturbi elettromagnetici sia legata allimpedenza e alla potenza di cortocircuito della rete stessa.Premettiamo che lutenza finale, rappresentata da un singolo soggetto o da unindustria, pu beneficiare dellutilizzo dellenergia elettrica grazie a tre basi importanti su cui si regge lintero mondo della fornitura elettrica. Queste tre fondamenta sono rappresentate dalla generazione, dal trasporto e dalla distribuzione elettrica. Utilizzando quindi una semplice schematizzazione grafica del flusso dellenergia elettrica dalla generazione (G) allutilizzatore finale (Ut), rappresentiamo in figura 12a quanto appena enunciato.

Figura 12a: Flusso energia elettrica su una rete di distribuzione trifase

Dalla centrale elettrica di produzione (G) partono elettrodotti ad altissima tensione che trasportano lenergia e che alimentano le stazioni elettriche, quindi, diminuendone il valore numerico in kilovolt, le sottostazioni elettriche e infine le cabine elettriche di trasformazione da media a bassa tensione. Le linee di bassa tensione, usualmente in cavo, alimentano lutilizzatore finale (Ut). Certamente la realt molto pi complessa della semplice raffigurazione. Una fornitura elettrica, ad esempio, pu avvenire anche in media o alta tensione, ma questo modello sufficiente per proseguire nella nostra dimostrazione. Ridisegniamo quindi la rete considerando landamento arbitrario dellimpedenza e della caduta di tensione dalla generazione elettrica (G) allutilizzatore finale (Ut). Vedi figura 12b.

Figura 12b: Andamento impedenza e della caduta di tensione (cdt) sulla distribuzione elettrica

Analizzando il grafico si osserva che limpedenza crescente e raffigurata con un aumento soft lungo i tratti di collegamento tra le varie officine di trasformazione, mentre sale bruscamente alla presenza dei trasformatori elettrici.




Ricordiamo che limpedenza di rete, cui associata una potenza complessiva (S), composta di una componente resistiva (R), cui associata una potenza attiva (P), e una componente reattiva (X) che pu essere di tipo induttiva (+JXL) o capacitiva (-JXC), cui associata una potenza reattiva (Q). Lequazione dellimpedenza rappresentata dalla formula 12.1.

Formula 12.1

Le rappresentazioni vettoriali, nella modalit di sistema induttivo o capacitivo, sono riportati nei diagrammi 12a e 12b. Langolo (j) detto angolo caratteristico del sistema.

Diagramma 12a: Diagramma vettoriale dellimpedenza elettrica (sistema induttivo)

Diagramma 12b: Diagramma vettoriale dellimpedenza elettrica (sistema capacitivo)

La resistenza elettrica degli elettrodotti dipende dai materiali costruttivi delle condutture, ma anche dalle sezioni dei cavi e dalle distanze delle linee, mentre la componente reattiva dovuta prettamente a un fenomeno intrinseco nella natura della corrente elettrica alternata. Linduttanza (L) della linea dipende, infatti, da fenomeni di auto o mutua induzione dovuti al campo elettromagnetico generato dalla corrente elettrica che la percorre, mentre il parametro capacit (C) dovuto alla fisiologica presenza delle correnti di dispersione, legate alla tensione che alimenta la linea e agli isolanti. I trasformatori sono invece macchine elettriche che, per loro natura costruttiva, utilizzano la componente induttiva per generare un flusso magnetico in un nucleo ferromagnetico al fine di potere trasferire la potenza elettrica da un avvolgimento primario a un avvolgimento secondario, variandone le caratteristiche numeriche di tensione e corrente. Anche nei trasformatori esiste una componente resistiva legata ai materiali costruttivi degli avvolgimenti, ma limpedenza caratteristica prevalente dei trasformatori di tipo induttiva (JXL). Limpedenza dei trasformatori ha prevalenza sulle impedenze di linea, ed ecco spiegato perch landamento dellimpedenza in figura 12b pi accentuato in prossimit dei trasformatori.Ora immaginiamo che lutenza (Ut) sia rappresentata da un carico elettrico e che stia assorbendo una potenza elettrica costante dalla rete, quindi una determinata corrente elettrica (IL).

Rappresentiamo quindi lequazione che determina il calcolo della potenza complessiva (S) assorbita dal carico che dipende dalla tensione concatenata (V

c) e dalla corrente (IL) e che

esprimibile nella formula 12.2:

Formula 12.2

Essendo la nostra rete di distribuzione rappresentata a vari livelli di tensione e teorizzando una configurazione ideale, logico osservare che a parit di potenza trasportata (S) e partendo dal carico (Ut) risalendo sino alla generazione elettrica (G), se la tensione (Vc) aumenta, la corrente (IL) deve necessariamente diminuire. Considerando che anche limpedenza di rete diminuisce nello stesso percorso, come visibile in figura 12b, e sapendo che la tensione elettrica (V

c) legata al prodotto tra

limpedenza (Z) e la corrente (IL), allora si pu affermare che le cadute di tensioni (V), calcolabili sulle linee a maggior potenziale elettrico, sono inferiori rispetto alle cadute di tensioni calcolabili sulle linee a media e bassa tensione. Sia chiaro che i metodi di calcolo delle cadute di tensioni sulle linee sono pi complessi, ma la semplicit facilita la comprensione.




Consideriamo ora i valori della potenza di cortocircuito (Scc

) esistenti sui vari rami della linea di distribuzione. La formula 12.3 ci permette di calcolare questa grandezza elettrica, moltiplicando la tensione concatenata tra le fasi (V

c) per la corrente di cortocircuito (I

cc):

Formula 12.3

La corrente di cortocircuito (Icc

), a sua volta, ricavabile dividendo la tensione di fase (Vf) per limpedenza (Z). Considerando poi che , il calcolo della (Icc) diventa esprimibile come in formula 12.4:

Formula 12.4

Sostituendo opportunamente la formula 12.4 nella formula 12.3 si giunge alla formula 12.5:

Formula 12.5

Da questultima formula (12.5) si evince che minore limpedenza di rete, maggiore la potenza di cortocircuito. Le due grandezze sono, infatti, inversamente proporzionali. Con riferimento alla figura 12b, la potenza di cortocircuito pi elevata quindi calcolabile sulle linee a maggior potenziale elettrico, dove appunto limpedenza di rete anche inferiore.Ipotizziamo ora che lutenza (Ut) sia sostituita da un carico non lineare, quindi associabile a un ideale forte generatore di correnti armoniche. I disturbi condotti generati, le nostre armoniche, percorrendo tutta la linea della distribuzione elettrica, genereranno cadute di tensione corrispondenti alle frequenze armoniche delle correnti (ricordiamo che, come ricavabile dalla formula 12.4, la tensione elettrica data dal prodotto dellimpedenza per la corrente). La somma vettoriale delle tensioni armoniche con la tensione fondamentale di rete a 50Hz, porter a una distorsione complessiva di questultima. Le reti ad alto voltaggio essendo caratterizzate da una bassa impedenza di rete, quindi da unelevata potenza di cortocircuito, saranno pi capaci di tollerare tali disturbi proprio perch le correnti armoniche genereranno tensioni armoniche poco espressive. Quindi le reti ad alto voltaggio saranno meno propense alla propagazione dei disturbi.Pur partendo da due visuali diverse, cio dal calcolo dimostrativo delle cdt sulle linee e dal considerare il metodo di calcolo della potenza di cortocircuito sulla rete, si giunge comunque allo stesso risultato.Una considerazione comune ai nostri ragionamenti sta nel fatto che le reti sono realizzate al fine di sopportare una determinata potenza elettrica continuativamente e che il corretto dimensionamento della rete la garanzia necessaria affinch i limiti termici dei conduttori e trasformatori restino contenuti e confinati nelle loro capacit nominali. Lo stesso ragionamento valido anche per le cadute di tensione sulle linee che devono, per rispettare le condizioni di fornitura, essere contenute. Nella realt quotidiana le reti di distribuzione, per mille motivi legati ad esigenze di esercizio, di fornitura elettrica, di disponibilit di centrali di produzione, da esigenze di manutenzione delle linee ecc, sono configurate in diversi modi, con la possibilit di creare situazioni favorevoli alla diffusione dei disturbi. Non comunque il caso delle reti AAT e AT (altissima e alta tensione) poich essendo fra loro interconnesse, sono caratterizzate da una bassa impedenza equivalente. Le reti di MT e di BT (media e bassa tensione), essendo invece di solito configurate in modo radiale, sono invece le pi predisposte alla propagazione dei disturbi elettromagnetici poich legate ad impedenze di rete pi elevate. Questo fatto si rileva spesso nelle zone rurali, dove pu esistere, per la morfologia del territorio, una mancanza di elettrificazione delle linee di MT con un tasso elevato dinterruzioni della fornitura dellenergia elettrica.




13. Linee elettriche: correlazioni tra tensione di arrivo e partenzaLa caduta di tensione (brevemente cdt) un fenomeno elettrico dovuto al fatto che, qualsiasi materiale conduttore utilizzi la corrente elettrica per il suo transito, possiede delle propriet fisiche naturali tali da offrire una resistenza elettrica al suo passaggio. Dal capitolo 12 abbiamo appreso che nel regime alternato esistono due ulteriori componenti che contribuiscono ad aumentare significativamente i valori di caduta di tensione nei circuiti elettrici, cio linduttanza e la capacit, e che laccostamento di queste grandezze antagoniste con la semplice resistenza elettrica definita impedenza elettrica (Z). La formula 12.1 ne rappresenta lespressione algebrica e i diagrammi 12a e 12b la raffigurazione vettoriale. Sempre dal capitolo precedente sintuisce facilmente che la circolazione di corrente in un circuito possibile grazie alla presenza di un potenziale elettrico, cio dalla presenza di una tensione elettrica tra le fasi creata da un generatore elettrico e dalla presenza di un utilizzatore finale (carico elettrico). Teoricamente a tanta potenza generata dovrebbe corrispondere tanta potenza elettrica assorbita dal carico, ma nella realt dei fatti, si assiste a diverse perdite passive tanto pi significative tanto pi il rendimento del sistema basso. Una di queste passivit legata alla caduta di tensioni sulle linee o cavi di trasporto dellenergia per via dellimpedenza elettrica.La formula semplificata per il calcolo della caduta di tensione per una linea contraddistinta da una resistenza RL, una reattanza XL, percorsa da una corrente elettrica (I), e alimentante un carico caratterizzato da un angolo di carico (j) indicata nellespressione della formula 13.1:

Formula 13.1

La formula deriva dalle dimostrazioni grafiche di figura 13a e diagramma 13a. Infatti, in caso di piccoli angoli di perdita (d) dovuti a parametri caratteristici della linea contenuti, possibile considerare un calcolo della caduta di tensione utilizzando le sole proiezioni dei vettori rappresentativi delle perdite ohmiche e reattive della linea.

Figura 13a: Schematizzazione di una linea elettrica Diagramma 13a: Diagramma vettoriale della linea elettrica

In virt di ci la tensione di arrivo (VA) di un sistema sempre al netto della caduta di tensione (V) ed possibile calcolarla semplicemente come indicato nella formula 13.2.

Formula 13.2

La formula 13.1 dimostra che la caduta di tensione (cdt) direttamente proporzionale alla corrente elettrica (I) quindi, un qualsiasi brusco aumento di questultima grandezza indice di un conseguente brusco aumento della caduta di tensione (V) sulla linea considerata. Le norme dimpianto trattano largomento della caduta di tensione, fornendo tabelle con valori percentuali limite da rispettare durante il normale esercizio della rete. Tuttavia le variabili che entrano in campo, quando ci si riferisce agli istanti di determinati eventi quali, ad esempio, lavviamento di un motore o linserzione di un carico elettrico, sono attimi che determinano elevate cadute di tensione dovute alle alte correnti transitorie in gioco.La dinamica di questi fenomeni elettromagnetici (EMC) associabile alla nascita di eventi tipici, classificati dalle normative come variazioni lente o rapide di tensione.




Esiste per un paradosso, facilmente spiegabile, per cui la tensione di arrivo (VA) pu essere superiore alla tensione di partenza (VP). Questo fenomeno si denota sulle linee elettriche alimentanti carichi capacitivi. Una spiegazione grafica, vedi figura 13b, ne potr evidenziare il perch.

Figura 13b: Schematizzazione di una linea elettrica alimentante un carico capacitivo

Diagramma 13b: RL I cosj > XL I senj (VAVP)

La figura 13b schematizza una linea elettrica che alimenta un carico capacitivo (-JXC) ed caratterizzata da una resistenza (RL) e uninduttanza di linea (JXL). I diagrammi vettoriali delle figure 13b, 13c e 13d rappresentano invece le possibili combinazioni che si possono presentare a proposito dei parametri di linea. Nel caso del diagramma 13d la tensione in arrivo pi elevata della tensione in partenza.Queste situazioni potrebbero generare problemi in presenza di linee di trasmissione lunghe, dove la linea stessa a comportarsi da carico elettrico reattivo capacitico. il caso, ad esempio, verificatosi negli anni 20 alla messa in tensione a vuoto della linea transiberiana, la pi lunga al mondo per lepoca (circa 1200km), dove si assistette a un guasto ai trasformatori di potenza.La risposta a tutto ci sempre dovuta ai parametri longitudinali e trasversali delle linee, quindi induttanze e capacit parassite che sulle linee aeree possono entrare fra loro in risonanza. Per la cronaca dellepoca, il problema russo fu risolto grazie alla collaborazione con un ingegnere elettrotecnico dorigine italiana e il fenomeno osservato prese il suo nome ed oggi conosciuto come effetto Ferranti. Per spiegare il fenomeno aiutiamoci con la radiotecnica la quale afferma che, ove le lunghezze dei conduttori siano trascurabili rispetto alla lunghezza donda (l) del segnale trasportato, i circuiti R-L-C localizzano la loro energia elettromagnetica nellambito degli stessi elementi. Il ragionamento non vale quando le lunghezze dei conduttori diventano paragonabili alla lunghezza donda del segnale applicato.




In questo caso il conduttore diventa una sorte di antenna tale da irradiare nello spazio circostante parte notevole dellenergia elettromagnetica. Tale evenienza coincide con il fenomeno della risonanza elettrica tra i componenti reattivi induttanza e capacit del conduttore. La lunghezza del conduttore (l) per cui si otterr il massimo della corrente elettrica nel circuito alla data frequenza (f) ricavabile dalla formula 13.3:

Dove C la velocit della luce, pari a 300.000Km/s. Per una frequenza di 50Hz la lunghezza (l) di 3000Km cio la met esatta della propria lunghezza donda (l).Di seguito, in figura 13c, raffigurato landamento della corrente in un conduttore di lunghezza (l) al variare della frequenza (f). Alla presenza della risonanza elettrica (f

r) si assiste alla

massima corrente assorbita dal conduttore. Landamento tipico del circuito risonante L-C serie.

Figura 13c: Andamento della corrente di un conduttore di lunghezza (l) al variare della frequenza (f)

Misurando la corrente e tensione elettrica sul conduttore di lunghezza (l) alla frequenza di risonanza (f

r), landamento delle due grandezze segue il profilo di figura 13d:

Figura 13d: Andamento della tensione e corrente in un conduttore di lunghezza (l) in condizioni di risonanza elettrica

Il centro del conduttore il punto dove si ha il minimo dimpedenza elettrica cio valori massimi di corrente e minimi di tensione. Teniamo presente che nel grafico ideale si trascurato volutamente leffetto della resistenza elettrica (R), comunque presente nella realt.In radiotecnica questa situazione rappresenta il principio di funzionamento di unantenna a mezzonda, ossia una condizione di risonanza elettrica perfetta per irradiare tutta lenergia nello spazio. Al fine di ottenere il massimo rendimento dal sistema, laccoppiamento circuitale generatore-antenna dovr soddisfare il criterio per il quale limpedenza interna del generatore deve coincidere con limpedenza dellantenna nel punto di connessione.La radiotecnica spiega anche come unantenna a mezzonda possa trasformarsi in unantenna a un quarto donda semplicemente vincolando al potenziale di terra unestremit del conduttore. Quel che ne nasce rappresentato in figura 13e:

Figura 13e: Andamento della tensione e corrente in unantenna ad donda

Formula 13.3




La condizione di risonanza in questo caso comporta una corrente massima alla sua base con valore decrescente man mano che ci si allontana dal potenziale di terra, mentre la tensione ha landamento opposto. Ora, ritornando in ambito elettrotecnico e facendo tesoro della radiotecnica, palese che ogni condizione di risonanza elettrica vada assolutamente evitata, poich coinciderebbe con un vero cortocircuito elettrico.

Questa situazione per quello che accaduto sulla linea transiberiana a causa della sua lunghezza equiparabile alla condizione di antenna a donda.Ci vollero poi dei grossi induttori per spostare la frequenza di risonanza e riuscire ad alimentare la linea. La lunghezza critica per una linea di distribuzione con un segnale di 50Hz proprio quella di un quarto donda, senza considerare che eventuali armoniche di rango superiore possono ridurre notevolmente tale distanza. anche per questo che le linee di trasporto pi lunghe sono costruite utilizzando la conversione in DC. Un esempio rappresentato dalla linea HVDC a 500kV costruita tra Inga e Shaba in Congo di 1700km.Due caratteristiche importanti delle linee di trasmissione sono rappresentate dallimpedenza caratteristica (Z0), la cui espressione data dalla formula 13.4, e la naturale frequenza di risonanza (f0) espressa nella formula 13.5:

Formula 13.4

Formula 13.5

Questi due parametri sono importanti per conoscere la risposta della rete alla formazione e propagazione dei transitori elettrici di corrente e tensione. Limpedenza caratteristica di circa 400 per le linee aree mentre dieci volte inferiori per le linee in cavo, cio 40.Un altro principio che insegna la radiotecnica e inerente al trasporto della potenza elettrica dalla sorgente al carico, cio dal generatore allantenna, rappresentato dal fatto che tale trasferimento massimo, quando il carico ha la medesima impedenza della linea (Z0). Nel caso questo non avvenga solo parte della potenza sar trasferita al carico, mentre laltra sar riflessa sulla linea. Tensione e corrente riflessa si troveranno a sommarsi o a sottrarsi sulla tensione e corrente incidente originando onde stazionarie. Ambedue le grandezze, variando in modo ondulatorio sulla linea origineranno valori minimi e massimi a ogni donda.Per terminare dobbiamo ricordare che le linee di trasmissione possono essere realizzate anche in cavo. Ma in questo caso, a causa dellelevata corrente capacitiva, espressa in mF/Km, le lunghezze sono sempre contenute.Proprio nel merito della corrente capacitiva in ampere di un cavo a media tensione, la formula 13.6 ne esprime un calcolo semplificato.

Formula 13.6

dove:L: lunghezza della linea in KmV

n: tensione nominale di rete in kV




14. I sistemi di distribuzione elettricaOsservando la formula 12.4, facile intuire come la corrente di fase I

cc possa amplificarsi a

dismisura se, a tensione costante Vf , il valore dellimpedenza Z dovesse tendere a zero. Questo quel che accade se, ad esempio, due conduttori di un sistema trifase vengono accidentalmente in contatto fra loro, causando un repentino azzeramento dellimpedenza con la conseguente insorgenza di unelevata corrente, detta di cortocircuito, limitata dalla sola impedenza di guasto (Zg). Questa corrente pericolosa per i circuiti elettrici e deve essere necessariamente interrotta dai dispositivi di protezione (interruttori elettrici, fusibili ecc...). Ricordiamo che il cortocircuito la manifestazione evidente di un guasto ed spesso correlabile al fenomeno elettromagnetico EMC del buco di tensione.Come per la cdt (caduta di tensione), conoscendo i parametri R-L-C (resistenza, induttanza e capacit) della rete interessata e le condizioni nominali di esercizio del sistema di distribuzione, i cortocircuiti elettrici assumono valori numerici definiti e calcolabili. Ed proprio in riferimento ai sistemi di distribuzione che si aprir una parentesi utile per spiegare la dinamica dei guasti sulle reti elettriche.Tralasciando di descrivere il sistema di distribuzione di tipo TT, cio quello utilizzato in ambiente civile e residenziale, focalizziamo lattenzione sui sistemi di distribuzione TNS, prettamente utilizzati per la distribuzione elettrica industriale in bassa tensione e sui sistemi di tipo IT che sono tipici degli impianti di distribuzione a media tensione, spesso anche utilizzati in bassa tensione ove si voglia ottenere, per esempio, un sistema di distribuzione isolato dalla rete principale.Cosa significhi TNS o IT svelato dalle figure 14a e 14c.

Figura 14a: Sistema di distribuzione elettrica di tipo TNS

Il sistema TNS, rappresentato in figura 14a insieme al diagramma vettoriale delle tensioni elettriche, prevede la messa a terra del centro stella del trasformatore e la distribuzione separata del conduttore di neutro (N) e di protezione (PE) dai conduttori di fase (R-S-T). Il centro del diagramma vettoriale (O) vincolato a terra quindi ad un potenziale elettrico nullo.




Un cortocircuito tra un conduttore di fase ed il conduttore di neutro (N) o di protezione (PE) equivale ad unelevata circolazione di una corrente di cortocircuito, limitata dallimpedenza dellanello di guasto Zg come indicato graficamente in figura 14b e/o numericamente nella formula 14.1.

Figura 14b: Percorso corrente di guasto Ig in una distribuzione elettrica di tipo TNS

Formula 14.1

Una corretta e semplice protezione magnetotermica pu quindi intercettare il guasto e provvedere alla sua estinzione aprendo il circuito elettrico. Anche un guasto impedente, cio con alti valori dimpedenza (Z), pu essere rilevato quando il sistema abbinato ad un interruttore differenziale.Il sistema IT prevede invece una modalit di esercizio con lassenza della messa a terra del centro stella del trasformatore (neutro isolato) che libero di fluttuare sul piano vettoriale.

Figura 14c: Sistema di distribuzione elettrica di tipo IT

Il sistema a neutro isolato efficace per ottenere unefficiente continuit di esercizio, poich un contatto verso massa di un conduttore di fase non chiude rigidamente nessun circuito elettrico, impedendo la circolazione di una qualsiasi corrente di cortocircuito. Il contatto elettrico verso massa, che potrebbe essere dovuto ad uneventuale perdita di isolamento di un conduttore elettrico, deve essere segnalato nei sistemi di bassa tensione, al fine di permettere la localizzazione del guasto e il ripristino delle condizioni di isolamento; deve invece provocare lintervento dei dispositivi di protezione in un tempo definito, quando la distribuzione a media tensione.




Nei sistemi IT di bassa tensione, vedi figura14d, il compito di ravvisare le perdite di isolamento svolto da particolari dispositivi quali i controllori permanenti di isolamento (CPI) che, sovrapponendo alla tensione fondamentale un valore predefinito di tensione a bassa frequenza, predispongono la circolazione di una prefissata corrente elettrica. Questultima presenza causer la segnalazione del guasto.

Figura 14d: Percorso corrente di guasto ICPI in una distribuzione elettrica IT di Bassa Tensione con dispositivo CPI

Nei sistemi IT a media tensione lo stesso effetto ottenibile sfruttando la naturale presenza delle correnti capacitive di dispersione. Questo accade perch le reti di distribuzione a bassa, media ed alta tensione, a prescindere dal tipo di sistema di distribuzione TT, TN o IT, sono caratterizzate dallintrinseca presenza di correnti parassite legate alla capacit elettrica e allinduttanza dei conduttori. Leffetto di questi due dipoli dipendente dai valori di tensione e corrente di carico, ma lorigine determinata dai materiali fisici, dal tipo di posa, dalle distanze di isolamento ed altro, che compongono lintero apparato di trasporto. Una sostanziale differenza data anche dal tipo di linea utilizzata: aerea o in cavo. Sulle reti di bassa tensione i fenomeni capacitivi sono trascurabili per via delle basse tensioni, quindi anche la corrente di guasto per fase a terra insensibile. Ecco perch importante lutilizzo dei CPI in bassa tensione. Nei sistemi di MT a neutro isolato, i valori delle correnti capacitive, durante un guasto per perdita disolamento di un conduttore di fase, sono invece rilevati da un apposito rel di protezione, che impartisce al dispositivo di manovra il comando di apertura del circuito.

La figura 14e rappresenta un sistema di distribuzione di tipo IT caratterizzato da un guasto per perdita disolamento di un conduttore di fase di un utilizzatore e il percorso di richiusura della corrente di guasto (IG) mediante le capacit verso terra delle fasi sane.

Figura 14e: Percorso corrente di guasto Ig in una distribuzione elettrica IT di Media Tensione




Il diagramma vettoriale assume la configurazione indicata in figura 14f. La circolazione di un valore relativamente piccolo di queste correnti capacitive determina piccole cadute di tensione nel circuito elettrico, soprattutto legate allimpedenza del trasformatore. Questo equivale a dire che le tensioni concatenate resteranno pressoch inalterate, mentre le tensioni stellate dovranno necessariamente modificarsi sino a coincidere con il vertice di interesse della fase guasta (1), nel triangolo delle tensioni. Il centro del diagramma (O) trasla di conseguenza al vertice (N), determinando linsorgenza della tensione omopolare VNO .

Figura 14f: Trasformazione del triangolo delle tensioni in conseguenza ad un guasto franco a terra sulla fase-1

Un ingegnoso artifizio per compensare la presenza delle correnti capacitive durante un guasto a terra di un conduttore elettrico, si realizza mediante la messa a terra del centro stella del trasformatore ottenuto attraverso unimpedenza composta da una resistenza elettrica e uninduttanza. In sintesi, come mostra la figura 14g, leffetto reattivo induttivo dellinduttanza elettrica (JXL) compensando leffetto reattivo capacitivo della capacitiva elettrica (-JXC), permette una riduzione della corrente di guasto che, nel caso di esatta compensazione, sar determinata dal solo valore della resistenza elettrica (R).

Figura 14g: Sistema di distribuzione elettrica di tipo IT con neutro compensato (metodo di Petersen)




14.1 La rete di MT e le correnti capacitive: approfondimento!Per approfondire la dinamica della circolazione delle correnti capacitive durante un guasto su una rete isolata di MT, si riporta lesempio di figura 14.1a, dove il distributore (D) alimenta due distinte utenze (A, B). In questa condizione le tensioni concatenate e stellate sono perfettamente simmetriche e la somma vettoriale nulla, come indicato in figura. Sulla rete dellutente-A si simula poi un guasto franco a terra, cio con resistenza di guasto nulla, per la perdita disolamento della fase-1. La situazione che si crea quella di figura 14.1b, con una circolazione di correnti capacitive nel modo rappresentato. Nelle figure 14.1c, 14.1d e 14.1e si rappresentano le configurazioni vettoriali delle due utenze e del distributore, ricostruite ai secondari dei trasformatori di misura.

Figura 14.1a: Distribuzione elettrica di tipo IT di Media Tensione in condizioni normali (distributore e utenze)

Figura 14.1b: Dinamica di un guasto franco a terra (fase-1, utente-A) in un sistema IT di Media Tensione




La tensione residua Vr, misurata ai secondari dei trasformatori di tensione a triangolo

aperto, di 100V ed identica per tutto il sistema. La formula 14.1.1 ne determina il calcolo.

Formula 14.1.1

La corrente di guasto IG nellutenza-A, sfasata sulla tensione residua VR di novanta gradi in anticipo (figura 14.1c), la somma vettoriale di tutte le correnti capacitive delle fasi sane del sistema, che si richiudono attraverso il punto di guasto.

Figura 14.1c: Utente-A (diagramma secondario) Figura 14.1d: Utente-B (diagramma secondario)

Figura 14.1e: Distributore-D (diagramma secondario)




Il riduttore di corrente T0(A) rileva la corrente residua Ir(A), annullando il contributo capacitivo della propria rete di distribuzione. Le correnti residue I

r(B) e Ir(D), rilevate dai riduttori di corrente T0(B) e T0(D), rappresentano i contributi al punto di guasto delle capacit elettriche dei cavi sani delle proprie reti di distribuzione. La direzione della correnti residue I

r(B) e Ir(D), nei sistemi utente-B e distributore-D, sono invece opposte a quanto descritto per lutente-A perch opposto il senso della circolazione delle correnti nei secondari dei TA. Le figure 14.1d e 14.1e mostrano quanto affermato. Per questi motivi facile intuire che in un sistema IT i dispositivi di protezione elettronica possono discriminare il guasto!Si ricorda che corrente e tensione secondaria I

r e V

r, misurate ai secondari dei rilevatori

omopolari, sono definite residue. I valori di corrente e tensione omopolare primaria I0 e V0 sono calcolati dalle formule 14.1.2 14.1.4 .La tensione omopolare rappresenta la differenza di tensione tra il centro stella reale (N) rispetto a quello ideale (O), mentre la corrente omopolare la corrente di guasto che interessa ciascuno dei tre sistemi di distribuzione (figura 14f).Utilizzando la regola della scomposizione delle terne di vettori, i valori numerici di corrente e di tensione omopolare primaria equivalgono a 1/3 della somma vettoriale dei moduli di tensione e corrente. In un sistema simmetrico, equilibrato e privo di guasti, il risultato nullo.

Formula 14.1.2

Formula 14.1.2

Formula 14.1.3

Formula 14.1.4

Ipotizzando che la rete sia gestita dal distributore in regime di neutro compensato, la corrente di guasto IG sar influenzata anche da una corrente ohmica (IR) e da una corrente induttiva (IL), dovute allimpedenza di messa a terra (vedi figura 14.g). La compensazione tra la corrente capacitiva di guasto e la corrente induttiva della bobina di Petersen, con la presenza di una corrente resistiva, potr originare configurazioni vettoriali rappresentate dalla figura 14.1f .

In sintesi, la prevalenza della reattanza induttiva su quella capacitiva originer sistemi sovracompensati o sottocompensati. Essendo poi lesercizio della rete dinamico e riconfigurabile, il distributore avr la possibilit di variare limpedenza di messa a terra al fine di ridurre le correnti di guasto. La gestione del sistema IT a neutro compensato riduce notevolmente le correnti di guasto monofase a terra, permettendo anche una rapida estinzione dellarco elettrico e limitando linsorgenza di tensioni pericolose di passo e contatto nella zona del guasto che pu durare, per norma e nelle reti utenti, sino a otto ore con esclusione del PCC (punto della fornitura elettrica) dove il distributore determina le temporizzazioni massime.




Figura 14.1f: Rappresentazione vettoriale (utente-A) in ipotesi di esercizio a neutro compensato

Lesperienza per dimostra che il guasto spesso non franco a terra, causando ripetute scariche elettriche.

Ne consegue una serie di pericolosi fenomeni tra cui il degrado degli isolanti, la ionizzazione dellaria e la possibilit non remota di innescare un guasto bifase a terra. Nella figura 14.1g si osserva un guasto non franco a terra che ha interessato la fase V30 di una rete.

Figura 14.1g: Esempio di guasto non franco a terra


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2-Qualita_Energia_Asperti-Pagine34-50.pdf