Trasformatori di messa a terra: quando specificare un’unità a zigzag e come dimensionarla correttamente

La scorsa primavera, un ingegnere di impianto dell’Ohio ci ha inviato una mail riguardo a un anello a 13,8 kV che alimentava tre edifici produttivi. Un guasto di fase verso terra stava affliggendo quel sistema da due settimane: i relè di protezione rilevavano quasi nulla, poiché l’anello era un sistema isolato da terra senza percorso in sequenza zero per la corrente di guasto di ritorno. Quando l’appaltatore ha finalmente individuato la giunzione del cavo bruciata, due azionamenti per motori da 500 hp avevano già subito danni irreversibili sulle fasi integre. La soluzione ordinata è stata un trasformatore di messa a terra di classe 15 kV trasformatore di messa a terra con avvolgimento a zigzag. La sua domanda rivolta a noi era concisa: «Quale corrente nominale devo indicare sull’ordine d’acquisto — per 10 secondi o in regime continuo?»

Questa domanda è più frequente di quanto dovrebbe essere, ed è proprio in questo punto che le specifiche vanno in errore. Ecco ciò che comunichiamo agli acquirenti quando questa domanda emerge nel loro progetto.

 

 

Che cosa fa effettivamente un trasformatore di messa a terra

Non è un trasformatore di distribuzione nel senso usuale. Un’unità di messa a terra come questa, in condizioni normali di funzionamento, non sopporta quasi alcun carico. Il suo compito è creare un punto neutro artificiale su un sistema che non ne possiede uno — tipicamente un sistema con collegamento a triangolo oppure un sistema con collegamento a stella il cui morsetto neutro non è accessibile o non può essere collegato direttamente a terra.

Quando si verifica un guasto fase-terra su un sistema isolato da terra, la corrente di guasto non ha alcun percorso di flusso se non attraverso la capacità distribuita di cavi e avvolgimenti, che risulta molto ridotta. Di conseguenza, la protezione non riesce ad eliminare il guasto e il sistema continua a funzionare con una fase a potenziale di terra, mentre le fasi integre raggiungono la tensione concatenata completa — circa 1,73 volte la tensione di fase normale, con possibili sovratensioni transitorie durante archi intermittenti. I motori e i cavi collegati alle fasi integre subiscono sollecitazioni eccessive, con conseguenti guasti dell’isolamento, spesso a distanza di settimane dal guasto reale e in posizioni lontane da esso.

Collegare un'unità a zigzag con il neutro a terra e l'immagine cambia. L'avvolgimento offre un percorso a bassa impedenza per la sequenza zero; la corrente di guasto ritorna attraverso il trasformatore e i dispositivi di protezione possono infine rilevarla ed entrare in azione. In un avvolgimento a zigzag (stella interconnessa), ogni fase trasporta circa un terzo della corrente di guasto di sequenza zero, motivo per cui queste unità sono fisicamente piccole rispetto al carico che proteggono.

 

Zigzag vs. Stella-Triangolo: quale avvolgimento va specificato?

Gli acquirenti ci chiedono informazioni su due modi comuni per realizzare un trasformatore di messa a terra : lo zigzag e la stella-triangolo.

Confronto	Zigzag (stella interconnessa)	Stella-Triangolo
Corrente di carico normale	Quasi nulla — solo corrente di magnetizzazione	Può anche alimentare un carico ausiliario in triangolo, se specificato
Impedenza di sequenza zero	Basso, controllabile per progettazione	Basso, impostato dalla geometria dell’avvolgimento
Dimensioni fisiche	Compatto, costo più basso	Più grande, costo più elevato
Utilizzatori tipici	Funzione esclusiva di messa a terra su sistemi da 480 V a 34,5 kV	Messa a terra più carico ausiliario o di servizio stazione
Potenze nominali comuni	400 A per 10 s; continuo per funzione HRG	Spesso con valutazione continua

Per un progetto la cui unica necessità è un punto neutro, il trasformatore zigzag è quasi sempre la scelta giusta: è più piccolo, meno costoso e più facile da montare all'interno di un contenitore esterno. Costruiamo entrambi i tipi nella nostra fabbrica, ma circa nove ordini di messa a terra su dieci che spediamo sono unità zigzag. Specificare il collegamento stella-triangolo solo quando l'unità deve alimentare anche un carico ausiliario, ad esempio un quadro di servizio stazione sul lato triangolo.

 

Valutazione continua vs. valutazione a breve termine: la decisione di specifica più importante

Questa è la decisione che ha causato la telefonata dell'ingegnere dell'Ohio ed è quella che la maggior parte degli acquirenti sbaglia.

A trasformatore di messa a terra che funziona con un sistema a terra a bassa resistenza è progettato per funzionamento a breve termine . Il resistore di messa a terra del neutro del sistema (NGR) limita la corrente di guasto a terra a un valore impostato — comunemente 400 A, talvolta 200 A o 600 A — e lo schema di protezione elimina il guasto entro pochi secondi. Il trasformatore è quindi dimensionato per sopportare tale corrente per una durata definita, solitamente 10 secondi, secondo le procedure di prova IEEE C57.32. Dimensionare un’unità a breve termine come "continua" comporta uno spreco di denaro in rame e nucleo; dimensionare invece un’unità per servizio continuo come "10 secondi" rappresenta un rischio per la sicurezza.

Su un grounding ad alta resistenza (HRG), la corrente è intenzionalmente limitata a circa 5 A o 10 A e il sistema continua a funzionare con il guasto attivo mentre il personale manutentivo ne individua la causa. Tale unità deve essere dimensionata continuo per servizio continuo, poiché deve sopportare la corrente indefinitamente. Confondere i due tipi nelle specifiche è l’errore più frequente che riscontriamo nelle richieste di offerta (RFQ): un acquirente scrive "trasformatore di grounding, 400 A" senza indicare il ciclo di servizio, e quindi il produttore fornisce un apparecchio non idoneo.

 

Prima di tutto, scegliere il tipo di messa a terra del sistema: isolato, a terra diretta, a bassa resistenza o ad alta resistenza (HRG)

Prima che chiunque possa valutare un’unità di messa a terra, è necessario definire la filosofia di messa a terra del sistema, poiché essa determina la corrente, il regime di funzionamento e lo schema di protezione.

• Sistemi isolati sono ammessi da molte norme industriali — l’articolo 250.21 della NEC li consente ancora — ma tollerano silenziosamente il primo guasto ed espongono le apparecchiature integre a sovratensioni. Questa configurazione spinge solitamente gli acquirenti ad aggiungere in seguito un’unità di messa a terra.
• Sistemi a stella con messa a terra diretta non richiedono un’unità di messa a terra qualora il neutro sia disponibile e consentito. Le unità a zigzag vengono utilizzate quando il neutro non è accessibile o quando la messa a terra diretta non è ammessa.
• Sistemi con messa a terra a bassa resistenza (tipicamente 200–800 A, regime di 10 secondi) rappresentano la scelta standard per la distribuzione industriale in media tensione. Un’unità a zigzag abbinata a un resistore di messa a terra (NGR) garantisce un rilevamento affidabile dei guasti con danni limitati nel punto di guasto.
• Sistemi con messa a terra ad alta resistenza i sistemi (5–10 A, continui) mantengono il funzionamento dell’impianto anche in presenza di un singolo guasto, con attivazione di un allarme; questa soluzione è comune nei processi a 480 V che non possono subire arresti imprevisti. La norma NEC 250.36 disciplina la messa a terra ad alta resistenza (HRG) per sistemi da 480 V a 1000 V.

A titolo di riferimento, la pratica di messa a terra che determina quale di queste soluzioni sia adatta al proprio impianto è descritta nella IEEE 142 Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems , che consideriamo come riferimento di base ogni qualvolta un cliente ci chiede di esaminare la filosofia del proprio sistema.

 

Cosa deve figurare sul foglio delle specifiche

Quando si invia una richiesta di offerta (RFQ) per un trasformatore di messa a terra nGR

1. Una specifica completa risponde a questi punti — e un ingegnere addetto alle quotazioni rileva immediatamente se qualcuno di essi manca:
2. Messa a terra del neutro metodo: a bassa resistenza, con corrente e tempo dell’NGR (400 A, 10 s), oppure HRG in servizio continuo (5 A o 10 A).
3. Potenza nominale continua o a breve termine, indicata esplicitamente — non lasciare mai che venga dedotta per inferenza.
4. Se è incluso un resistore di messa a terra neutrale e il suo valore in ohm, poiché il collegamento a zigzag da solo non limita la corrente.
5. Involucro e ambiente: per interni, per esterni, montaggio su base o su struttura di cabina primaria, oltre alla classe di temperatura.
6. Norma di prova applicabile — progettiamo e proviamo secondo IEEE C57.32 , che definisce i requisiti, la terminologia e le procedure di prova per i dispositivi di messa a terra del neutro, inclusi i test di innalzamento della temperatura e di corrente a breve termine.
7. Configurazione del avvolgimento a triangolo o a zigzag e se l’unità deve sopportare eventuali carichi ausiliari.

A trasformatore zigzag per un sistema di classe 15 kV, 400 A per 10 secondi, è una macchina piccola e leggera rispetto ai trasformatori di distribuzione circostanti. Ma «piccola» non significa «semplice» — l’impedenza omopolare, il coordinamento dell’isolamento al neutro e la resistenza termica a breve termine devono essere progettati con cura, non improvvisati.

 

Come progettiamo e proviamo le unità di messa a terra presso Ryan

 

 

Dal 2023 collaboriamo come partner ufficiale di joint venture con Eaton, e questa collaborazione definisce il nostro approccio verso unità specializzate come questa: vengono trattate con la stessa disciplina della nostra linea principale di distribuzione, non come un’attività secondaria. Il nostro stabilimento di 120.000 m² dispone di oltre 180 insiemi di attrezzature, e i trasformatori di messa a terra lasciano il reparto di produzione soltanto dopo aver superato una prova in fabbrica, documentata da un rapporto che include la verifica del rapporto spire, della resistenza d’isolamento, delle prove di tensione applicata e indotta e, qualora la potenza nominale lo richieda, una prova di corrente a breve termine osservata dal nostro team QA.

Un’abitudine consolidata sul banco di prova: quando la richiesta di offerta (RFQ) di un cliente recita semplicemente «trasformatore di messa a terra» e nulla più, effettuiamo una chiamata preliminare prima di formulare un preventivo. Nell’ultimo anno abbiamo individuato specifiche che avrebbero portato alla spedizione di un’unità con potenza continua in un’applicazione a regime di 10 secondi, e di un trasformatore zigzag per un sistema che invece richiedeva un collegamento stella-triangolo con carico ausiliario. Queste domande richiedono cinque minuti al telefono e consentono di evitare mesi di problemi successivi.

 

Il punto cruciale per gli acquirenti

Se l’impianto utilizza un sistema a media tensione non collegato a terra oppure un sistema triangolo privo di neutro solido, un trasformatore di messa a terra con avvolgimento a zigzag rappresenta la soluzione pratica: fornisce un percorso in sequenza zero per la protezione, limita le sovratensioni sugli apparecchi sani e consente infine ai relè di rilevare i guasti a terra. Scegliere l’avvolgimento in base alla necessità di capacità di carico ausiliaria e il ciclo di servizio in base al metodo di messa a terra adottato: valutazioni da 10 secondi per sistemi a bassa resistenza con limitazione mediante NGR, valutazioni continue per sistemi HRG.

Inviaci la tensione del sistema, la filosofia di messa a terra e il valore obiettivo della corrente di guasto, e confermeremo la potenza nominale prima che tu proceda all’ordine. Invia una mail a [email protected]oppure richiedi un preventivo tramite la pagina dei contatti: la revisione delle specifiche è gratuita ed è il passaggio fondamentale per evitare che un sistema non collegato a terra si trasformi in un’interruzione non pianificata.

 

Sull'autore

Ryan Electric è un produttore di trasformatori in Cina, fondato nel 2007, che fornisce servizi a utility, data center e clienti industriali in Nord America, Sud-Est asiatico e Medio Oriente. Questo articolo è stato redatto dal nostro team di ingegneria e contenuti, sulla base dell’esperienza acquisita nei test in fabbrica e dei feedback sul campo relativi a progetti di trasformatori spediti in tutto il mondo.