Monitoraggio dei sistemi di distribuzione a bassa tensione TT

Autore: Andy Sagl

Il metodo tradizionale utilizzato per rilevare i guasti di terra nei sistemi di distribuzione TT consiste nel monitorare la corrente nel conduttore di neutro. "Questo metodo, tuttavia, non è del tutto soddisfacente", afferma Andrew Sagg di Megger, che prosegue illustrando un approccio alternativo e molto più efficace basato sull'uso di un registratore della qualità dell'energia elettrica a nove canali.

Nei sistemi di distribuzione a bassa tensione, il metodo di messa a terra è identificato da un codice alfabetico, dove T (dalla parola francese "terre", ossia "terra") indica un collegamento diretto a terra, N indica un collegamento neutro, I indica isolato dalla terra, S indica separato e C indica combinato. Vari tipi di metodi di messa a terra sono ampiamente utilizzati, come i sistemi TN-C e TN-S, ad esempio, particolarmente comuni nel Regno Unito. In molte parti del mondo, tuttavia, i sistemi TT sono i più utilizzati e, anche nei paesi in cui TT non è il metodo di messa a terra principale, è ancora probabile che si trovi di frequente nelle aree rurali e nelle installazioni temporanee. 

In un sistema TT, il trasformatore che alimenta il sistema di distribuzione ha un collegamento diretto a terra, e anche il carico ha un collegamento diretto (separato) a terra, come illustrato nella Figura 1.

Figura 1: sistema di messa a terra TT

Alcuni dei vantaggi dei sistemi TT sono la loro implementazione semplice ed economica; inoltre i guasti nei sistemi LV e MV non si propagano ad altri clienti collegati alla stessa rete a bassa tensione. I sistemi TT, tuttavia, presentano numerosi svantaggi e uno di questi è la necessità per i consumatori di effettuare la manutenzione dei propri elettrodi di terra, quindi non è possibile garantirne la massima affidabilità. È inoltre possibile che tra i componenti del sistema e il conduttore di neutro appaiano tensioni elevate e che queste sovratensioni sollecitino l'isolamento dell'apparecchiatura collegata al sistema. 

In un sistema TT in cui le fasi sono bilanciate, in cui non vi sono guasti di terra e nessuna armonica di sequenza zero, la corrente di neutro sarà pari a zero, in quanto le correnti di ritorno corrispondenti a ciascuna fase vengono annullate nel neutro. Inoltre, non vi sarà alcun flusso di corrente nel collegamento a terra. Vedere la Figura 2.

Figura 2: in un sistema privo di guasti, la corrente di neutro è pari a zero

Se si verifica un guasto di terra, la corrente di guasto fluisce attraverso il picchetto di terra, attraversa la terra e torna quindi alla sorgente (vedere la Figura 3). Poiché è molto improbabile che il guasto influenzi tutte e tre le fasi in modo uguale, le correnti di fase saranno sbilanciate e non saranno più annullate nel neutro. Un guasto di terra determina quindi un flusso di corrente non solo nel conduttore di terra ma anche nel conduttore di neutro (vedere la Figura 4).

Figura 3: un guasto di terra causa un flusso di corrente che attraversa la terra

Figura 4: un guasto di terra provoca un flusso di corrente anche nel conduttore di neutro

In condizioni di guasto, la corrente di ampiezza che fluisce nel conduttore di terra dipende dall'integrità del collegamento di messa a terra. Maggiore è l'impedenza del percorso di messa a terra, minore sarà la corrente che fluisce al suo interno. Tuttavia, con un collegamento a terra scadente, la tensione di contatto sui componenti del sistema sarà più elevata in quanto tale tensione è direttamente proporzionale all'impedenza del collegamento di messa a terra. La tensione di contatto è la tensione che una persona potrebbe avvertire se, in presenza di un guasto, dovesse toccare un componente dell'apparecchiatura nominalmente collegato a terra mentre si trova su una superficie collegata a terra. È chiaro, quindi, che tensioni di contatto superiori a 50 V sono pericolose. Si tratta di un problema significativo perché, come già detto, uno degli svantaggi dei sistemi TT è che non è possibile garantire l'affidabilità degli elettrodi di terra. 

Per prevenire tensioni di contatto elevate e per garantire che i guasti di terra nei sistemi TT vengano rilevati rapidamente, l'approccio tradizionale consiste nel monitorare la corrente di neutro, generalmente con qualche tipo di dispositivo di corrente residua 

(RCD). Purtroppo questo approccio da solo non è sufficiente per fornire una protezione affidabile con falsi scatti di entità minima e per facilitare la diagnosi dei guasti. Ciò è dovuto al fatto che il flusso di corrente nel conduttore di neutro può essere causato anche da altri fenomeni relativi alla qualità dell'energia elettrica, ad esempio carichi sbilanciati e armoniche di sequenza zero. 

A differenza dei guasti di terra, tuttavia, i carichi sbilanciati e le armoniche di sequenza zero non causano un aumento della corrente di terra. Pertanto, il monitoraggio della corrente di neutro e della corrente di terra non solo consente di identificare i guasti di terra, ma anche di distinguerli da altri eventi correlati alla qualità dell'energia elettrica. 

Andando avanti nel ragionamento, la misurazione della tensione tra la messa a terra e il neutro fornisce un'indicazione dell'integrità del collegamento di messa a terra. Più il collegamento è in cattive condizioni, ossia più elevata è la sua impedenza, maggiore sarà la tensione tra il conduttore di terra e il conduttore di neutro. 

Naturalmente, effettuare misurazioni spot istantanee, ad esempio per determinare il motivo per cui si verificano falsi scatti nel dispositivo di corrente residua, potrebbe non rilevare o localizzare un guasto di terra poiché tali guasti sono spesso intermittenti. Spesso si verificano solo quando un componente difettoso dell'apparecchiatura viene eccitato o in presenza di umidità. La soluzione è quindi utilizzare uno strumento di registrazione per monitorare i circuiti interessati. La Figura 5 illustra una configurazione adeguata, con l'uso di un registratore a nove canali (quattro tensioni e cinque correnti). Questa configurazione fornisce informazioni complete, consentendo di rilevare e diagnosticare i guasti in modo rapido e affidabile.

Figura 5: configurazioni per la registrazione della qualità dell'energia elettrica a nove canali 

Con questa configurazione, il canale di tensione 1 collega la fase A e il neutro, il canale di tensione 2 collega la fase B e il neutro, il canale di tensione 3 collega la fase C e il neutro e il canale di tensione 4 collega la terra e il neutro. Il canale di corrente 1 monitora la corrente nella fase A, il canale di corrente 

2 nella fase B, il canale di corrente 3 nella fase C, il canale di corrente 4 nel conduttore di neutro e il canale di corrente 5 nel conduttore di terra. Nei canali di monitoraggio della corrente dovrebbero essere utilizzati i trasformatori di corrente con gamma bassa (da 5 a 20 A). 

I risultati di un sistema di monitoraggio di questo tipo possono essere interpretati con facilità. Se la corrente di terra aumenta solo quando viene eccitato un componente specifico dell'apparecchiatura (con indicazione del carico online identificabile tramite le singole misurazioni della tensione di fase e della corrente), ciò indica che il guasto di terra si trova all'interno di tale componente. Se la corrente di terra aumenta in condizioni atmosferiche di umidità, probabilmente il guasto di terra è dovuto all'ingresso di acqua in un cavo esposto. E se la tensione di messa a terra aumenta eccessivamente, è l'elettrodo di terra a dover essere controllato con attenzione. 

In conclusione, per un sistema con messa a terra TT collegato a Y (stella) trifase, una registrazione della qualità dell'energia elettrica a nove canali offre numerosi vantaggi. È il modo migliore per identificare i guasti di terra e distinguerli da altri fenomeni correlati alla qualità dell'alimentazione, per identificare condizioni di messa a terra scadenti e pericolose in presenza di un guasto di terra, per rilevare guasti di terra intermittenti e per determinarne l'origine.