La rete di distribuzione dell’energia elettrica è un sistema unico con gli utenti, nel quale i disservizi del singolo si ripercuotono anche sugli altri.

Il guasto a terra è una delle principali emergenze che avvengono nelle reti di media tensione: esso copre circa l'ottanta percento del totale dei guasti. Può avere carattere degenerativo, ossia propagarsi ad una seconda fase o a tutte e tre a causa degli archi di corrente che si innestano nelle vicinanze.

Ai fini della continuità di servizio occorre che le protezioni siano selettive, in modo da evitare che un guasto su un impianto utente determini il distacco di un intero ramo della rete MT e di tutti gli altri utenti ad esso allacciati.

Nella figura 1 è rappresentata una semplice rete di distribuzione in media, ove la zona colorata in verde rappresenta la rete di un utente, allacciato all'Enel e vicino ad altri utenti.

IL CONTESTO NORMATIVO E LEGISLATIVO

Per aumentare la continuità di servizio della rete di distribuzione in MT, e limitare i disagi dovuti a situazioni di emergenza, Enel ha deciso di seguire due strade tra loro correlate:

• modificare il sistema di gestione del neutro passando da isolato a compensato;
• garantire la selettività tra le proprie protezioni e quelle degli utenti in MT.

PROTEZIONE A SOVRACCARICO E A CORTO CIRCUITO

Come primo passo, vediamo le prescrizioni Enel per garantire la selettività delle sue protezioni con quelle dell'utente. Le tipologie di protezione utilizzate da Enel a sovracorrente sono:

• soglia contro i sovraccarichi (detta 51.S1 o 51);ù
• soglia contro i cortocircuiti (detta 51.S2 o 50).

Pertanto, il dispositivo di protezione generale di un utente MT ha il compito di aprire in caso di guasto a valle in modo selettivo con la protezione Enel. La protezione utente può essere di due tipi:

• interruttore automatico con relè a due soglie
• interruttore di manovra sezionatore con fusibili in MT.

Caratteristiche Soglia corrente 51.S1 o 51 (sovraccarico):

• soglia: 30-600 A, a gradini di 15A (valori primari);
• tempo di ritardo: 0,05-5 s, a gradini do 0,05 s.

Soglia corrente 51.S2 o 50 (corto circuito):

• soglia: 30-3000 A, a gradini di 15A (valori primari);
• tempo di ritardo: 0,05-5 s, a gradini do 0,05 s.

Quanto sopra è riferito a TA  con rapporto di trasformazione 300:5. In caso di adozione di TA con diverso rapporto di trasformazione, i campi di taratura del relè devono essere tali da consentire, in ogni caso, l'impostazione di tarature per entrambe le soglie nel campo compreso fra 60 A e 1500 A primari.

Tarature

Normalmente per gli interruttori automatici l'Enel richiede le seguanti tarature:

• sovraccarico 51.S1: I<= 65% della soglia di taratura del relè 51.S1 a monte; tf = 500 ms;
• corto circuito 51.S2: I = 500A - 650A; tf = 120 ms.

Riguardo ai fusibili, essi hanno normalmente taglie da 40 e 63 A, e sono utilizzati per trasformatori fino a 400 kVA. Con i fusibili da 63 A iniziano i problemi di coordinamento con le protezioni Enel.

PROTEZIONE CONTRO IL GUASTO A TERRA

Il secondo passo prevede la protezione contro il guasto a terra. Prima di addentrarci nelle prescrizioni di Enel, rivediamo i concetti che stanno alla base del guasto a terra con o senza la bobina di Petersen.

Gestione del neutro in sottostazione AT/MT, le varie possibilità di Enel

• Isolato (destinato a scomparire)
• a terra tramite impedenza di bobina fissa
• a terra tramite impedenza di bobina mobile
• a terra tramite resistenza
• a terra tramite impedenza di bobina mobile e resistenza in parallelo.

La gestione del neutro ha ripercussioni sulle modalità di guasto a terra, vediamo:

Neutro isolato

• La corrente di guasto (capaci tiva) dipende dall'estensione della rete
• Possibilità di funzionamento anche in presenza di un primo guasto a terra (se la corrente è limitata)
• Secondo guasto a terra diviene un corto circuito
• Sovratensioni (sia transitorie che permanenti).

Neutro a terra tramite reattanza pura

• Nel punto di guasto a terra non circola alcuna corrente (se la bobina è perfettamente accordata) - quindi è difficile individuare la linea guasta.
• Anche con un certo grado di disaccordo tra bobine e rete, la corrente è comunque limitata - elevata probabilità di autoestinzione dell'arco; - prevenzione dei guasti intermittenti.Neutro a terra tramite resistenza pura
• La resistenza è dimensionata per limitare la corrente di guasto monofase a terra al 5-10% della corrente di corto circuito trifase.
• La presenza della resistenza impedisce il fenomeno degli archi a terra intermittenti e smorza le sovratensioni di origine interna.
• Solo la linea guasta è percorsa dalla componente resistiva della corrente di guasto do vuta alla resistenza di messa a terra.

Neutro a terra tramite impedenza (reattanza resistenza)

• La combinazione permette:
• di limitare la corrente di guasto monofase a terra (teoricamente alla sola componente resistiva);
• possibilità di creare reti in assetto standard con correnti di guasto a terra di: 50A a 20kV, 40A a 15kV;
• di utilizzare protezioni direzionali;
• di limitare le sovratensioni di origine interna.

Protezione contro i guasti a terra, le prescrizioni Enel In relazione alle caratteristiche dell'impianto del cliente (vedi figura 2), la protezione contro i guasti a terra può essere costituita o da una direzionale di terra abbinata ad una massima corrente omopolare (67N 51N) oppure da una semplice protezione di massima corrente omopolare (51N). Riassumendo, la protezione 67N occorre solo se i cavi in media tensione a valle del trasformatore toroidale hanno una lunghezza complessiva superiore a:

• Lc > 350 m a 20 kV;
• Lc > 460 m a 15 kV.

Se ci sono linee aeree, del loro contributo va tenuto conto come evidenziato in figura.

ANALISI DELLE POSSIBILI SCELTE

Perché la protezione di massima corrente omopolare (51N) non è più sufficiente? Perché serve la protezione direzionale di terra?

• Le linee in cavo forniscono un contributo capacitivo alla corrente di guasto di:
• IC = 0,2 (A) x L (km) x V (kV).

Poiché la protezione 51N è tarata a 2 A, e considerando una soglia di sicurezza al 70%, si ricava:

• 0,2 x V x L <= 0,7 x 2 = 1,4 da cui:
• per V = 20 kV, si ricava L = 350 m;
• per V = 15 kV, si ricava L = 460 m.
• La protezione direzionale di terra provoca l'apertura del DG solo se il guasto è interno all'impianto cliente:
• evita contenziosi con Enel;
• qualità del servizio per il cliente.

Nelle reti a neutro isolato, le correnti capacitive di guasto monofase franco a terra sono dell'ordine delle centinaia di ampere (200 - 350 A). In una rete a neutro compensato, la corrente capacitiva di guasto monofase a terra viene quasi completamente annullata dalla corrente induttiva della bobina di Petersen (regolata in modo che la sua corrente sia circa il 95% della corrente capacitiva) e nel circuito di guasto circola una corrente prevalentemente resistiva di circa 35-40 A, imposta dalla resistenza in parallelo alla bobina di Petersen.

Se la protezione generale dell'utente è a massima corrente omopolare (51N) la sua soglia di taratura deve essere:

• maggiore del contributo che l'impianto a valle della protezione stessa fornisce alla corrente di guasto monofase a terra in rete (altrimenti interviene per un guasto a monte); inoltre:
• minore della corrente di guasto monofase a terra della rete di distribuzione, decurtata dal suddetto contributo (altrimenti non interviene per un guasto a valle dell'utente).

Quindi, nelle reti a neutro isolato, la corrente di guasto dovuta alla rete è molto più grande del contributo dell'impianto a valle della protezione dell'utente (250 A circa contro 5 A) rendendo sufficiente la protezione 51N per distinguere un guasto a valle o a monte dell'utente. Le cose cambiano, invece, con il neutro compensato. La differenza di corrente si stringe a circa 40 A e 5 A, se poi il guasto non è franco la differenza si riduce ulteriormente. Il ricorso alla sola protezione 51N non è più consigliabile per il rischio di interventi non voluti.

La sola protezione 51N può continuare ad essere utilizzata quando si considera bassa la probabilità di guasto sul lato Mt e con basso contributo di corrente di guasto a terra della linea utente (circa 1,4 A, da cui i 350 m di linea). Essa va tarata a 3 A nelle reti a 15 kV e a 4 A nelle reti a 20 kV. Le protezioni 67N sono più sensibili delle protezioni 51N, inoltre esse agiscono sulla predeterminazione dell'angolo della componente omopolare della corrente di guasto. Tale caratteristica è funzione del collegamento a terra della bobina di Petersen ed è indipendente dalla resistenza di terra del guasto.
È possibile definire dei settori di intervento delle protezioni direzionali al fine di discriminare la posizione nella rete del punto di guasto. Le soglie della protezione direzionale vengono tarate come quelle possedute da Enel, solo con tempi di intervento inferiori.

Perché la protezione di massima corrente omopolare deve essere ancora presente se c'è la protezione direzionale di terra? Il doppio guasto monofase a terra sulla rete Mt (due guasti su due fasi diverse, di cui uno nell'impianto dell'utente) comporta correnti elevate che circolano sulle sole fasi escludendo il centro stella del trasformatore e la sua eventuale bobina di Petersen.

Le stesse correnti omopolari che circolano nella rete utente sono indipendenti dallo stato del neutro. Ora non si ha più una relazione predeterminata di fase tra la tensione omopolare e la corrente, in quanto essa dipende dalla resistenza di guasto e dal senso ciclico delle due fasi interessate dai guasti a terra. Essendo i guasti aleatori, ossia non determinabili il punto di guasto e le fasi coinvolte, la sola protezione 67N non è più suffi ciente per eliminare il doppio guasto a terra. Si rende necessaria, quindi, una protezione 51N che è indipendente dall'angolo della corrente, ma dal solo valore in modulo della corrente. Essa deve avere una corrente di soglia elevata (circa 150 A) per essere indipendente dal primo guasto a terra. Per chi possiede la sola protezione 51N non cambia nulla, in quanto essa continua ad intervenire anche per il secondo guasto a terra. Esso ha sempre bisogno di un TA omopolare con rapporto 100/1 e classe di precisione 5P20 o equivalente per garantire il funzionamento anche ad elevate correnti, senza andare in saturazione.

Se l'utente possiede una direzionale di terra a 3 soglie, può tarare quest'ultima per essere selettiva con la 67.S3 dell'Enel e così non è necessaria la protezione 51N. Per chi possiede una protezione con interruttore di manovra sezionatore Ims e fusibili, la protezione contro i guasti doppi monofase non è di fatto assicurata.