Trasformatori di Messa a Terra: Scopo, Tipi e Applicazioni nei Sistemi Elettrici
Cos'è un trasformatore di messa a terra?
Un trasformatore di messa a terra (o trasformatore di earthing) fornisce un percorso a bassa impedenza verso terra per la corrente di sequenza zero (guasto a terra) in sistemi elettrici che mancano di un neutro naturale—principalmente sistemi a triangolo o stella non messa a terra.
Perché serve: Il problema del neutro
- Gli avvolgimenti a triangolo non hanno un punto neutro
- Stella non messa a terra: il neutro esiste ma è flottante → sovratensioni transitorie (5–6×) durante i guasti a terra
- Il trasformatore di messa a terra crea un neutro artificiale per la messa a terra
Funzioni principali
- Percorso corrente di guasto a terra: Consente rilevamento/coordinamento dei relè di guasto a terra (50N/51N, 67N)
- Stabilizzazione di tensione: Limita le sovratensioni transitorie durante i guasti a terra ad arco
- Riferimento del neutro: Consente carichi fase-neutro (illuminazione, 120V) su sistemi a triangolo
- Filtraggio armoniche: Avvolgimento zigzag intrappola armoniche triplen (3ª, 9ª, 15ª)
Tipi di trasformatori di messa a terra
| Tipo | Costruzione | Impedenza sequenza zero | Applicazioni |
|---|---|---|---|
| Zigzag (Zn) | 6 avvolgimenti su 3 nuclei, interconnessi | Bassa (1–10Ω) | Il più comune per messa a terra solida/resistiva |
| Stella-Triangolo (YNd) | Primario stella (neutro fuori), secondario triangolo | Bassa (triangolo intrappola seq. zero) | Quando necessario LV triangolo per isolamento armoniche |
| Stella-Stella (YNyn) con Terziario Triangolo | 3 avvolgimenti: YN / YN / Triangolo | Bassa tramite terziario | Sottostazioni che necessitano 3 livelli di tensione |
| Messa a terra resistiva | Zigzag + resistore neutro | RN (5–400A) | Corrente di guasto limitata (HRG, LRG) |
| Messa a terra reattiva | Zigzag + reattore neutro | XN (accordato) | Controllo sovratensione transitoria (Bobina di Petersen) |
Dimensionamento e nominale
- Nominale continuo: Tipicamente 3–10% della MVA di sistema (trasporta solo corrente sbilanciata/armonica 3ª)
- Nominale a breve termine: Deve sopportare la massima corrente di guasto a terra per il tempo del relè (1–10s)
- Impedenza: Selezionata per limitare la corrente di guasto al livello desiderato (es. 5A, 10A, 400A)
- Classe di tensione: Corrisponde alla tensione L-L del sistema (es. 13,8kV, 25kV, 34,5kV)
Applicazioni tipiche
- Impianti industriali (distribuzione a triangolo): 4,16kV/13,8kV triangolo → zigzag per riferimento di terra
- Parchi eolici/solari: Uscita inverter (triangolo) → trasformatore di messa a terra → sistema di raccolta
- Potenza ausiliaria sottostazione: Terziario triangolo → zigzag per neutro servizio sottostazione
- Retrofit sistemi non messi a terra: Converti non messo a terra → alta-resistenza messa a terra (HRG)
- Generatori mobili: Fornisce neutro per carichi 120/208V
Coordinamento protezione
- 50N/51N (Sovracorrente a terra): CT sul neutro del trasformatore di messa a terra
- 59N (Spostamento tensione neutro): Rileva guasto a terra tramite spostamento neutro
- 67N (Direzionale a terra): Coordinamento selettivo su alimentatori
- 27/59 (Sottosovratensione): Su secondario stella per protezione carico
Vantaggi chiave rispetto alle alternative
| Metodo | Pro | Contro |
|---|---|---|
| Trasformatore di messa a terra | Bassa Z0, intrappolamento armoniche, servizio carico | Costo, spazio, perdite |
| Triangolo messo a terra in angolo | Semplice, economico | V-terra sbilanciato, problemi di sicurezza |
| Non messo a terra | Nessun trip sul 1° guasto a terra | Sovratensioni transitorie, difficile localizzare guasto |
| Neutro artificiale (3 resistori) | Economico | Nessun intrappolamento armoniche, corrente di guasto limitata |
Sommario
I trasformatori di messa a terra sono essenziali per sistemi a triangolo e non messi a terra che richiedono un riferimento di terra. La connessione zigzag è preferita per la sua bassa impedenza sequenza zero, soppressione armoniche triplen e compattezza. Il dimensionamento si concentra sul duty di guasto a breve termine, non sul carico continuo. Una corretta applicazione consente protezione guasto a terra sensibile, limita le sovratensioni transitorie e permette il carico fase-neutro—critico per l'integrazione industriale e delle energie rinnovabili moderne.