Spiegazione del collegamento a terra del neutro del trasformatore: confronto tra collegamento a terra diretto, con resistenza e a zig-zag

Il programma per gli interruttori specificava il collegamento a terra ad alta resistenza a 5 A con una resistenza da 10 secondi. L’appaltatore installò esattamente quanto indicato. Nessuno misurò la corrente di carica del sistema, che, considerando i cavi schermati da 5 kV, i parafaradici e i filtri d’ingresso degli azionamenti presenti nello stabilimento, ammontava approssimativamente a 6,8 A. Al primo guasto fase-terra, la resistenza sopportò l’intera corrente capacitiva, mentre il relè di rilevamento non registrò alcun aumento; lo stabilimento continuò quindi a funzionare per due giorni con una fase a terra. Il secondo guasto, su una fase diversa, trasformò un inconveniente in un arco elettrico fase-fase. Tutto era stato costruito secondo il disegno. Lo schema di messa a terra rimaneva comunque errato.

Messa a terra del neutro del trasformatore è la decisione progettuale che determina la quantità di corrente che fluisce in caso di guasto dell’isolamento, se la protezione scatta o emette semplicemente un allarme, e quanto di tale corrente devono sopportare il trasformatore, i cavi e le apparecchiature di commutazione. Viene presa una sola volta, nella fase di progettazione, ed occupa generalmente una singola riga delle specifiche.

Quattro metodi coprono quasi tutti i sistemi industriali, per servizi pubblici e per data center: messa a terra solida, messa a terra a bassa resistenza, messa a terra ad alta resistenza e messa a terra tramite trasformatore di messa a terra a zig-zag o stella-triangolo. Ciascun metodo risponde a una domanda diversa, e la risposta corretta dipende da ciò che si desidera che il sistema faccia al primo guasto a terra.

 

Cosa decide la messa a terra del neutro del trasformatore

Un guasto a terra completa un circuito tra un conduttore di fase e la terra. La corrente che circola è determinata dall'impedenza del percorso di ritorno, il quale viene creato dal collegamento tra il neutro del sistema e il sistema di messa a terra. Modificando tale collegamento si modifica la corrente di guasto, la velocità di rilevamento e l'entità dei danni provocati dal guasto durante la sua eliminazione.

Nelle specifiche vale la pena citare due riferimenti. IEEE Std 3003.1-2019 tratta la messa a terra dei sistemi elettrici industriali e commerciali ed è il successore moderno della serie di norme nota come Green Book; IEEE Std C62.92.1-2016 tratta la messa a terra del neutro nei sistemi di distribuzione pubblica con tensione superiore a 1 000 V. Entrambe le norme si basano sullo stesso compromesso: la corrente di guasto a terra deve essere sufficientemente elevata per essere rilevata in modo affidabile, ma non così elevata da danneggiare le apparecchiature.

La tabella seguente riassume i quattro metodi.

Metodo	Corrente di guasto tipica	Filosofia di rilevamento	Dove si inserisce
Messsa a terra solida	Fino al valore trifase con cortocircuito diretto	Sovracorrente istantanea, intervento	480 V e inferiori, distribuzione BT
Messsa a terra a bassa resistenza (LRG)	100 A – 1.000 A, comunemente 200 A – 400 A	Relè di sovracorrente, coordinamento selettivo	Distribuzione MT industriale che richiede intervento selettivo
Messsa a terra ad alta resistenza (HRG)	5 A – 25 A	Relè sensibile, prima segnalazione d’allarme	Impianti con elevata densità di azionamenti, processi continui, centri dati
Trasformatore di messa a terra a zig-zag	Impostato dal progetto della resistenza o del trasformatore	Relè sensibile	Sistemi a triangolo, senza neutro accessibile

 

Messa a terra solida: il costo più basso e la corrente di guasto più elevata

In un sistema con messa a terra solida, il neutro è collegato direttamente al sistema di messa a terra. Nulla limita la corrente, quindi un guasto di fase verso terra può avvicinarsi al valore trifase in cortocircuito disponibile in quel punto: decine di chiloampere su un’unità da 2.000 kVA a 480 V. Questo non è un difetto di progettazione; è proprio lo scopo. Il guasto è di grande entità, tutti i dispositivi di protezione lo rilevano e viene eliminato in pochi cicli.

La fattura arriva altrove. Il rinforzo del bus, i poteri di interruzione dell’interruttore e il calcolo dell’energia d’incidente nello studio sull’arco elettrico dipendono tutti da tale corrente. Il collegamento a terra solido rimane comunque la scelta pratica per la maggior parte dei sistemi a 480 V, poiché la tensione tra fase e terra resta a 277 V e i carichi sull’isolamento e sui paraschermi contro le sovratensioni restano contenuti. Ciò cessa di essere ragionevole a media tensione, dove lo stesso ragionamento genera correnti di cortocircuito che trasformatore, cavi e quadri di comando preferirebbero evitare.

Una conseguenza sorprende molte persone. In un sistema con collegamento a terra solido, la maggior parte dei guasti inizia come un evento monofase verso terra e viene eliminata prima che possa aggravarsi. In un sistema non collegato a terra o collegato a terra con alta resistenza, il primo guasto spesso non viene affatto eliminato.

 

Collegamento a terra con resistenza: bassa resistenza versus alta resistenza

L'inserimento di una resistenza tra il neutro e la terra trasforma una filosofia progettuale in un valore numerico. Il collegamento a terra a bassa resistenza limita tipicamente la corrente a qualche centinaio di ampere: è comune, a media tensione, un intervallo compreso tra 200 A e 400 A, sufficiente comunque perché i normali relè di sovracorrente lo rilevino e ne consentano la coordinazione. È per questo motivo che il collegamento a terra a bassa resistenza (LRG) viene utilizzato nei casi in cui l'impianto richiede che un alimentatore difettoso si stacchi in modo selettivo, anziché provocare il distacco dell'interruttore generale.

Il collegamento a terra ad alta resistenza spinge tale concetto ancora oltre, limitando la corrente di guasto a terra a 5 A, 10 A o 25 A. A questi livelli, il guasto viene normalmente segnalato tramite allarme piuttosto che provocare un intervento automatico; l'impianto continua quindi a funzionare mentre il personale manutentivo ne individua la causa. Questo approccio è ampiamente adottato nei sistemi industriali con elevata densità di azionamenti, negli impianti a processo continuo che non possono tollerare un arresto improvviso e nelle reti di distribuzione in media tensione dei data center. Il trasformatore e i cavi non devono più essere dimensionati per sopportare eventi di cortocircuito da diversi kiloampere, e il rischio di arco elettrico derivante da un guasto a terra diminuisce proporzionalmente alla corrente.

Ecco la parte che la maggior parte degli acquirenti trascura. Un sistema a terra ad alta resistenza funziona soltanto se la corrente di dispersione attraverso la resistenza è superiore alla corrente di carica del sistema. La corrente di carica di cavi schermati, arrestatori di sovratensione e filtri d’ingresso per azionamenti è una corrente reale e, in caso di guasto a terra, fluisce contemporaneamente attraverso la resistenza e il guasto. Se la corrente della resistenza è inferiore a tale valore, il relè non riesce a distinguere un guasto dalla normale corrente capacitiva: è esattamente quanto accaduto nell’esempio che ha introdotto questo articolo. La procedura corretta prevede di misurare innanzitutto la corrente capacitiva dell’installazione effettiva, quindi di scegliere una corrente di resistenza superiore a tale valore con un adeguato margine, e infine di impostare il tempo di intervento.

 

 

Trasformatori di messa a terra a zig-zag: un neutro dove non esiste

Tutto quanto sopra presuppone un punto neutro a cui è possibile collegare una resistenza. Una sorgente connessa a triangolo, o un trasformatore il cui neutro secondario non è portato all'esterno, non fornisce tale punto. Un trasformatore a zig-zag risolve questo problema: i suoi avvolgimenti presentano un'impedenza bassa alla corrente di sequenza zero, creando quindi intenzionalmente un percorso di ritorno per la corrente di guasto a terra, mentre presentano un'impedenza elevata alle correnti di sequenza positiva e negativa, in modo che l'unità trasporti quasi nessuna corrente di carico durante il funzionamento normale. Un trasformatore stella-triangolo svolge lo stesso compito con una diversa disposizione degli avvolgimenti.

Questo comportamento è il motivo per cui un trasformatore di messa a terra è specificato da un foglio dati completamente diverso rispetto a un trasformatore di carico. I valori da concordare sono la corrente neutra a breve termine e la sua durata – 10 secondi e 1 minuto sono le classificazioni più comuni – oltre alla capacità di corrente neutra continua per lo squilibrio prodotto dal normale funzionamento, che in un’unità a zig-zag è tipicamente pari a qualche percentuale del valore a breve termine. Specificarlo soltanto in base al valore a breve termine comporta il surriscaldamento dell’unità in caso di squilibrio persistente. Specificarlo come un trasformatore di carico comporta l’acquisto di rame che non verrà mai utilizzato.

Nei sistemi con un’elevata presenza di azionamenti, l’unità a zig-zag è solitamente abbinata a una resistenza. La resistenza determina la corrente di guasto consentita; il trasformatore fornisce il neutro necessario alla resistenza.

 

Dimensionamento della resistenza: quattro valori che determinano se il sistema funziona

Una resistenza di messa a terra del neutro è un dispositivo a breve termine con un numero limitato di parametri critici. Questi quattro valori determinano se il sistema funziona correttamente in servizio:

• Corrente capacitiva misurata. Misurarlo sull'installazione reale, alla tensione reale. I valori riportati in tabella sono un punto di partenza, non una risposta definitiva.
• Corrente di passaggio. 5 A, 10 A o 25 A per la messa a terra ad alta resistenza; 200 A–400 A per la messa a terra a bassa resistenza. In entrambi i casi, tale valore deve essere superiore alla corrente capacitiva misurata, con un margine di sicurezza.
• Tempo di funzionamento nominale. Dieci secondi e un minuto sono valori tipici. Una resistenza da 400 A e 10 secondi su un sistema a 13,8 kV dissipa circa 3,2 MW durante il transito della corrente di guasto — ovvero circa 32 MJ di energia in dieci secondi. Un guasto lasciato persistere sul sistema lo distruggerà.
• Tensione nominale e livello di isolamento. Durante un guasto a terra, la resistenza sopporta continuativamente, per tutta la durata dell’evento, la tensione di fase-neutro dell’intero sistema.

Due ulteriori aspetti rientrano nello stesso contesto di discussione, ma non figurano sul foglio dati della resistenza: lo schema di rilevamento — ossia il comportamento del relè in base alla corrente rilevata, e se quest’ultimo emette un allarme o interrompe il circuito — e, nel caso della messa a terra a bassa resistenza, la verifica della validità dello studio di coordinamento una volta introdotta la limitazione della corrente.

 

Come Ryan Electric supporta la progettazione del collegamento a terra per ordini personalizzati

La progettazione del collegamento a terra inizia dal trasformatore, perché la configurazione degli avvolgimenti determina se esista o meno un neutro. Su un trasformatore trifase personalizzato con secondario a stella portiamo il neutro all’esterno tramite un portalampada isolato, dimensionato per la corrente di guasto a terra specificata nello studio, e forniamo i dati relativi alla configurazione degli avvolgimenti e al gruppo vettoriale necessari per gli studi sul collegamento a terra e sulla coordinazione. Qualora lo schema del cliente preveda un collegamento a terra con resistenza o a zig-zag, verifichiamo la disposizione del neutro già nella fase di preventivo, anziché durante la prova di accettazione in fabbrica. Si tratta di una conversazione di quindici minuti all’inizio, rispetto a un ordine di riprogettazione qualora tale verifica venga omessa.

Costruiamo in un impianto di 120.000 metri quadrati dotato di oltre 180 insiemi di attrezzature per la produzione e i test e di 37 brevetti; possediamo inoltre le certificazioni UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS e CE. Dal 2023 Ryan Electric opera come partner ufficiale di joint venture di Eaton. Il rapporto di prova standard fornito con ogni unità riporta i dati sulla resistenza degli avvolgimenti e sul rapporto di trasformazione, necessari al team di messa in servizio per verificare le connessioni del neutro e della messa a terra in cantiere.

 

Inviare lo schema di messa a terra insieme alla richiesta di offerta per il trasformatore

Inviarci il diagramma unifilare, il metodo di messa a terra, la corrente e la durata previste per il neutro nonché la potenza nominale del trasformatore. Il nostro team di ingegneria fornirà una soluzione per la messa a terra del neutro del trasformatore coerente con lo studio effettuato — compresa la presa sul neutro — in modo che l’ingegnere addetto alla messa in servizio possa confermare un progetto già definito, anziché doverlo scoprire ex novo. Definire correttamente questi aspetti già in fase di preventivo non comporta alcun costo; scoprirli solo dopo il primo guasto a terra comporta invece un fermo operativo.

 

Informazioni sull'Autore: Questo articolo è stato redatto dal team di ingegneria di Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), produttore di trasformatori in resina colata, immersi in olio e montati su basamento, che serve clienti del settore utility, data center, generazione rinnovabile e industriale dal 2007. Il team lavora quotidianamente con i requisiti IEEE C57 e IEC 60076 e supporta sviluppatori e appaltatori EPC durante la fase di specifica, i collaudi in fabbrica e l’attivazione in sito.