Appunti sullo stato del neutro

LO STATO DEL NEUTRO CAP 11

Nei sistemi a tre conduttori di fase, il neutro è quel punto che ha lo stesso potenziale

del centro stella di una terna di impedenze uguali derivate dalla rete trifase. Esso

quindi coincide con il centro stella dei trasformatori trifase (ovviamente quando il

collegamento è a stella) e con quello degli alternatori sincroni. Nei sistemi a quattro

conduttori di fase (come In nel sistema di bassa tensione) il neutro è quel conduttore

che si diparte dal centro stella del trasformatore di distribuzione (che ha sempre il

secondario connesso a stella) o anche dal centro stella di un generatore alimentante la

rete. Una volta specificato cosa si intende per neutro è necessario dare una definizione

del suo “stato”. Esso deve intendersi come stato rispetto al

potenziale indisturbato di terra ovvero se il neutro è esercito:

Isolato rispetto a terra

 A terra mediante impedenza di valore trascurabile

 A terra mediante reattanza risonante ( o bobina di Petersen, o bobina di

 estinzione)

A terra mediante impedenza.



Un primo aspetto molto importante è rappresentato, nel regime sub-transitorio di

guasto, dal rapporto tra la corrente di corto circuito sub-transitoria monofase e quella

trifase.

I ' ' cc 1 f

a= I ' ' cc 3 f

Il rapporto tra due correnti di corto circuito fornisce quindi una importante

informazione sulla loro entità.

se a>1 : prevarrà nel sistema trifase la corrente di corto circuito monofase

 Se a<1: la corrente di corto circuito trifase sarà superiore a quella monofase.



La scelta della corrente di corto circuito monofase è giustificata da:

staticamente il guasto monofase è quello più frequente (>80%)

 le interferenze elettromagnetiche con sistemi metallici posti in parallelismo e

 non distanti dal sistema di potenza

La sicurezza delle persone e cose al momento che la corrente fluisce nel terreno

 la corrente di guasto, nel caso di cavi monopolari dotati di schermo metallico,

 fluisce sugli schermi dei cavi stessi che sono ovviamente dimensionati per

sopportarla, ma che in caso di giunti mal realizzati causano degli hotspot (punti

caldi) con conseguenti danneggiamenti al cavo;

Nel caso il cortocircuito monofase avvenga all’interno di una cava di una

 macchina rotante, vi è il pericolo di profonde “bruciature” e danneggiamenti al

pacco lamellare.

La scelta della corrente di cortocircuito trifase è giustificata dal fatto che quest’ultimo

rappresenta l’unico corto simmetrico ed è indipendente dallo stato del neutro.

La formula di a

diventa:

Compaiono i due rapporti complessi m0 e mi, solitamente nelle reti trifase l’impedenza

alla sequenza diretta sub transitoria è poco discosta dall’impedenza alla sequenza

inversa così che si possa porre mi=1 3

a=

Pertanto la formula di a semplificata vale: (2+m0)

Per quanto riguarda ma è necessario fare alcune importanti precisazioni circa la sua

natura.

Nelle reti a neutro isolato l'impedenza alla sequenza zero è di natura capacitiva

visto che l'unico modo che hanno le tre correnti uguali omopolari di fluire nel terreno È

tramite le capacità verso terra delle linee aeree e in cavo costituenti la rete. ln

− j∗1

Zo=− jXo=

generale si può scrivere: (ω∗C 0)

In cui C0 è la capacità complessiva verso terra delle linee componenti la rete che può

essere pensata come il prodotto delle capacità chilometriche per le lunghezze delle

linee. Il rapporto m0 è quindi negativo e (in modulo) inversamente proporzionale al

quadrato della lunghezza o estensione delle linee; in

simboli:

Nelle reti italiane MT il rapporto m0 può assumere

lavori minori di -20.

Quando il neutro è direttamente a terra (mediante impedenza di valore

trascurabile) l'impedenza alla sequenza omopolare è di natura ohmico-induttiva e

Z 0=R 0+ jωL 0

assume la forma: . (9.8)

Nel caso delle reti AT/AAT esercite con il neutro a terra il valore dell'impedenza alla

sequenza omopolare è

tanto più piccolo quanto maggiori sono le messe terra di funzionamento dei centri

stella dei trasformatori presenti nella rete trifase.

Nel caso di reti di bassa tensione, il valore dell'impedenza alla sequenza omopolare in

(9.8) cambia molto a seconda del sistema di distribuzione usato.

Andamento di a in

funzione di m0 per alcuni

valori del rapporto R0/Xd’’.

Si nota, per R0/Xd’’=0, una

pericolosa condizione di

risonanza serie per m0=-2

cioè nell’ambito delle reti a

neutro isolato. Per rendersi

conto che m0=-2

rappresenta una condizione

di risonanza serie è

sufficiente pensare che il

guasto monofase

corrisponde alla messa in

serie dei tre bipoli alle

sequenze.

In Italia le reti MT sono state da sempre esercite con il neutro isolato: da una decina

d’anni si è iniziato ad utilizzare la bobina di Petersen (o di spegnimento o di

estinzione).

Nel caso di MT a neutro isolato la corrente di corto circuito sub-transitoria monofase è

estremamente

contenuta. Trascurando le impedenze alla sequenza diretta ed inversa rispetto a quella

alla sequenza zero si può ottenere una formula molto comoda per il calcolo di tale

corrente.

Infatti essa è data da:

Si ponga attenzione al fatto che C0 è la capacità complessiva di tutte le linee di MT

metallicamente connesse alla sbarra cui fa capo la linea interessata dal c.c. e non la

sola capacità della linea interessata dal guasto fino al punto di guasto.

Per rendersene conto, anche se in modo un po' semplificato, si consideri che alla

sequenza zero le capacità verso terra di ogni linea sono derivate e quindi è come

fossero tutte in parallelo, ovvero le capacità si sommano a prescindere dalla linea in

cui è avvenuto il guasto. La corrente di corto circuito monofase è quindi indipendente

dal punto in cui occorre il corto circuito.

Su queste considerazione si basa la corrente così definita dalla norme CEI 11-8.

Essa vale:

Se la rete di alta e altissima tensione fosse esercita a neutro isolato si correrebbe il

rischio di cadere nella condizione di risonanza mg = -2. Infatti le reti di AAT e AT sono

caratterizzate da un'elevata estensione delle linee cosi che m0 diminuisce

drasticamente rispetto alla situazione in MT con il rischio di cadere in intorno della

zona di risonanza. Per questo motivo l'AAT e PAT vanno sempre esercite con il neutro

direttamente a terra.

Sovratensioni sostenute alla frequenza di esercizio di 50Hz

Come già dimostrato durante il corto circuito monofase la tensione delle fasi (fasi 2 e

3) sane rispetto a terra è data dalle seguenti due espressioni :

Si può verificare che la tensione della fase 3 è sempre (anche se di poco) superiore a

quella della fase 2. Al fine di ottenere un tensione in per unità ovvero rapportandola

alla tensione nominale stellata Ed” si ricava la

grandezza k data dalla:

E dividendo numeratore e den. per Zd’’

ottengo: 

Di fatto k rappresenta quello che le norme definiscono “fattore di guasto a terra”

ovvero il valore più elevato tra i valori efficaci delle tensioni nelle fasi sane durante un

corto circuito monofase

divisa per la tensione

stellata nominale. Se

si studia k in funzione di

m0 per alcuni valori

del rapporto Ro/Xd’’ si

ottiene il grafico: