Guida al coordinamento delle protezioni nei guasti a terra in cabina MT/BT - 1a

Nei sistemi di distribuzione in media tensione il neutro può fondamentalmente essere esercito in uno dei modi rappresentati in figura 1: isolato oppure messo a terra, direttamente, attraverso resistenza, reattanza o impedenza. Come è noto, nei sistemi MT lo stato del neutro riveste una grande importanza, in particolare perché condiziona il comportamento del sistema in presenza di guasti monofase a terra (stimabili in oltre il 70% dei guasti).

Nel nostro paese la rete pubblica di distribuzione in media tensione è stata finora, nella quasi totalità dei casi, esercita a neutro isolato (fig. 2).

Con neutro isolato il circuito di guasto monofase a terra si richiude attraverso le capacità delle fasi verso terra determinando normalmente modeste correnti di guasto. Rispetto a sistemi con neutro direttamente a terra si ha il vantaggio di avere limitate tensioni totali di terra nelle cabine MT/bt ed una più rapida estinzione dell’arco elettrico che si stabilisce durante i guasti a terra transitori. Se però la corrente diventa elevata, vengono meno i vantaggi attesi e si aggiungono invece alcuni svantaggi fra i quali una maggiore difficoltà nella localizzazione dei guasti che non si autoestinguono e la possibilità che si possano manifestare elevate sovratensioni di manovra e di guasto.

Con una rete di distribuzione sempre più estesa e con l’impiego generalizzato di linee in cavo, la corrente di guasto monofase a terra ha raggiunto valori di parecchie centinaia di ampere annullando in gran parte i benefici derivanti da una rete gestita con neutro isolato. Molti distributori stanno quindi convertendo le reti a neutro isolato a neutro compensato (fig. 3), con il neutro messo a terra tramite un’impedenza induttiva detta bobina di Petersen (fig. 4), con lo scopo di ridurre al valore di pochi ampere la corrente di guasto monofase. Sarà nuovamente possibile garantire una buona continuità d’esercizio in presenza di guasto a terra, così come accadeva nei sistemi a neutro isolato quando la rete MT era poco estesa:

• limitando la corrente di guasto monofase a terra (semplificando la realizzazione degli impianti di terra delle cabine MT/BT)
  
• ampliando la probabilità di autoripristino dei guasti monofase (evitando quindi l’apertura dell’interruttore di linea)
  
• riducendo in numero, ampiezza e durata le sovratensioni che si manifestano in caso di apertura di linee o di auto-estinzione di guasti
  
• riducendo i rischi dell’arco intermittente
  
• Migliorando la sensibilità delle protezioni per i guasti a terra ad alta resistenza

In ogni caso, comunque venga gestito il neutro, l’intento che si prefiggono i Distributori è quello di discriminare fra guasti originati all’esterno e all’interno degli impianti di utenza dei clienti evitando, per quanto possibile, che possano propagarsi, con relativi disservizi, alla rete di distribuzione e di conseguenza alle utenze stesse. Per poter selezionare correttamente i guasti, a seconda che si verifichino sull’impianto del Distributore o su quello dell’utente, ed evitare interventi indesiderati delle protezioni occorre quindi attuare un appropriato coordinamento fra i dispositivi di protezione.

L’idea di esercire le reti MT con collegamento a terra attraverso una reattanza induttiva accordata con la capacità complessiva delle fasi verso terra, è stata proposta per la prima volta nel 1916 dall’ingegnere tedesco Petersen. Lo scopo è quello, collegando il neutro a terra appunto tramite la cosiddetta bobina di Petersen (fig. 4a), di limitare il valore della corrente di guasto a terra la quale, in teoria, è uguale a zero se l\'induttanza della bobina è perfettamente accordata (in risonanza) con la capacità totale della rete.

Se con RN indichiamo la resistenza di terra della stazione primaria AT/MT che alimenta la linea e con C0 la capacità verso terra fornita dalle fasi integre, la corrente di guasto monofase a terra (IF) è data dalla somma vettoriale fra la corrente IL che attraversa la bobina e la corrente IC che si richiude sulle capacità verso terra (fig. 4b). Poiché le due correnti IL e IC sono fra loro sfasate di 180° la IF si annulla se, scegliendo un opportuno valore dell\'induttanza L, la IL risulta uguale in modulo alla IC.

Questa condizione, detta di risonanza, non si verifica mai nelle normali condizioni di esercizio. Si ha tuttavia una significativa riduzione della corrente di guasto ottenendo comunque il risultato di favorire l’autoestinzione dei guasti transitori e di consentire alla rete di funzionare, garantendo la continuità del servizio, anche con una fase stabilmente a terra, per un tempo in genere sufficiente ad identificare il guasto. Se la bobina è regolabile in modo continuo è possibile avvicinarsi alla condizione di risonanza. Ci si deve però affidare ad un dispositivo in grado di controllare il livello di compensazione in funzione del tempo e di guidare la necessaria regolazione della bobina mobile. In effetti, la messa a terra del neutro non la si ottiene tramite una semplice induttanza, ma mediante un\'impedenza composta da (fig. 4c):

• un\'induttanza (L) variabile in relazione alla capacità (C0) verso terra dovuta dalla rete;
• una resistenza in serie (RS) per limitare la costante di tempo della componente unidirezionale transitoria della corrente di guasto;
• una resistenza in parallelo (RP) per incrementare la componente attiva della corrente di guasto monofase e permettere il funzionamento delle protezioni wattmetriche.

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