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Introduzione
Questa esercitazione introduce i concetti chiave utilizzati nella progettazione dei sistemi di messa a terra e di terra delle sottostazioni. Viene discussa una terminologia importante, tra cui l'aumento del potenziale di rete, le tensioni di contatto e di passo e la distribuzione della corrente.
Vengono illustrati i comportamenti di esempi di sistemi di messa a terra e di messa a terra durante un guasto.
Indice dei contenuti
1 Aumento del potenziale di rete (GPR)
La Figura 1(a) mostra un semplice impianto di messa a terra costituito da conduttori orizzontali (detti anche "a maglia" o "a griglia") interrati a 0,5 m sotto la superficie terrestre e da conduttori verticali lunghi 3 m (detti anche "dispersori") collegati alla griglia formata dai conduttori orizzontali. La griglia orizzontale è quadrata ed è suddivisa in 4 maglie quadrate.
La Figura 1(b) mostra le tensioni superficiali che si verificano sulla superficie terrestre quando l'impianto di messa a terra viene eccitato durante un guasto.
Quando la corrente elettrica viene immessa nel terreno attraverso un impianto di messa a terra, la corrente incontra una resistenza che dipende direttamente dalla resistività del terreno. A causa della corrente che attraversa questa resistenza, il potenziale elettrico dell'impianto di terra e di tutte le strutture metalliche ad esso collegate aumenta. Il potenziale elettrico massimo che la rete di terra di una sottostazione può raggiungere rispetto a un punto di messa a terra distante che si presume sia al potenziale della terra remota (0 Volt) prende il nome di aumento del potenziale di rete (GPR) [1].
La GPR è direttamente proporzionale all'entità della corrente iniettata nel terreno dall'impianto di messa a terra. Per una data corrente di iniezione, la GPR è direttamente proporzionale alla resistività del terreno. Pertanto, nella progettazione di un impianto di messa a terra è molto importante disporre di misurazioni affidabili della resistività del terreno e di effettuarle nel sito della sottostazione per accertare le proprietà del terreno. Ciò è necessario per modellare accuratamente le prestazioni dell'impianto di messa a terra.
Per una data corrente di guasto, la GPR è approssimativamente inversamente proporzionale all'area della griglia. Si noti che anche la forma e la profondità di interramento della griglia influenzano in qualche misura la GPR.
La GPR per la rete mostrata nella Figura 1 è di 2220 V e la tensione massima di superficie, che è sempre inferiore alla GPR, è di 2060 V.
Figura 1 - Esempio di grafico del sistema e delle tensioni di superficie
2 Tensioni di contatto e di passo
La Figura 1 mostra che i potenziali della superficie terrestre sono più bassi del GPR e variano notevolmente. Nei punti direttamente al di sopra di un conduttore di rete, i potenziali della superficie terrestre sono più vicini al GPR; d'altra parte, al centro delle maglie della rete si verificano delle cadute di potenziale e la differenza tra il GPR e il potenziale della superficie terrestre è massima in questi punti centrali. Ciò significa che una persona che si trova al centro di una maglia e che entra in contatto con qualsiasi struttura metallica collegata all'impianto di messa a terra, sarà soggetta a un'elevata tensione di contatto.
Si noti che la "tensione di contatto" è la differenza di potenziale elettrico tra l'impianto di messa a terra e qualsiasi posizione della superficie terrestre in cui una persona può stare a contatto con una struttura metallica energizzata (che si presume sia allo stesso potenziale dell'impianto di messa a terra) [1].
Il grafico della Figura 2 (a) mostra le tensioni di contatto all'interno e fino a 1 metro di distanza dalla griglia. Le tensioni di contatto massime si verificano in genere agli angoli di una griglia, perché le correnti di dispersione più elevate sono presenti sui conduttori perimetrali (il grafico delle correnti di dispersione è un modo per dimostrarlo).
Come mostrano la Figura 1 e la Figura 2 (b), il forte gradiente di potenziale all'esterno del perimetro dell'impianto di messa a terra può determinare una differenza di potenziale significativa tra due punti della superficie terrestre in cui sono posizionati i piedi di una persona. In genere si presume che il passo di una persona non superi 1 m e la "tensione di passo" è quindi definita come la differenza di potenziale tra due punti della superficie terrestre distanti 1 m l'uno dall'altro.
I livelli di tensione a gradino sono in genere molto più bassi delle tensioni di contatto. Pertanto, se per un progetto è possibile ottenere tensioni di contatto sicure, le tensioni di passo non dovrebbero costituire un problema.
Figura 2 - Grafici delle tensioni di contatto e di passo in due dimensioni
Le tensioni di contatto e di passo sono, come il GPR, direttamente proporzionali alla corrente iniettata nel terreno. Inoltre, per una data corrente di iniezione e un dato insieme di proporzioni della rete, le tensioni di contatto e di passo sono direttamente proporzionali alla resistività elettrica della terra.
Per valutare le prestazioni di un impianto di messa a terra, la GPR e le tensioni di contatto e di passo che si verificano durante le condizioni di guasto vengono confrontate con i valori massimi accettabili, noti anche come limiti di tensione massimi ammissibili o tollerabili. Questi limiti di sicurezza sono ricavati secondo i metodi degli standard IEC e IEEE [1], [2].
Consultare la pagina che spiega come calcolare i limiti di tensione di contatto e di passo.
I limiti di sicurezza vengono confrontati con le tensioni di contatto e di passo effettive per determinare se il progetto è sicuro. Esistono due approcci principali per ottenere un progetto sicuro:
- Ridurre (o mostrare) le tensioni di contatto e di passo che appaiono in qualsiasi punto della sottostazione e del suo perimetro al di sotto dei limiti di sicurezza.
Aumentare i limiti consentiti aggiungendo un ulteriore strato superficiale di roccia frantumata o asfalto all'interno e all'esterno della sottostazione.
3 Distribuzione della corrente di guasto
Quando si verifica un'energizzazione accidentale o un "guasto a terra" in prossimità di una sottostazione, grandi quantità di corrente fluiscono dal conduttore di fase guasto e ritornano alla fonte di alimentazione attraverso tutti i percorsi conduttivi disponibili (vedere Figura 3).
La Figura 3 mostra il flusso delle correnti di guasto per due sottostazioni collegate tramite una linea di trasmissione aerea se si verifica un guasto nelle vicinanze della sottostazione A. Le frecce indicano la direzione del flusso della corrente di guasto. Ecco un video tutorial che spiega la distribuzione della corrente di guasto con esempi pratici.
Durante un guasto, una parte della corrente di guasto totale ritorna alla sorgente di alimentazione (corrente di guasto) lungo i seguenti percorsi:
- Fili di terra: una parte della corrente di guasto scorre dal luogo del guasto alla fonte di alimentazione interamente attraverso i fili di terra (se esistono). Un'altra parte della corrente di guasto scorre lungo una lunghezza dei conduttori di terra e viene poi iniettata a terra da vari percorsi di terra, come le terre delle torri di trasmissione o i sistemi di messa a terra delle sottostazioni diverse da quella più vicina al guasto.
- Sistema di messa a terra della sottostazione: un'altra parte della corrente di guasto viene iniettata a terra dal sistema di messa a terra della sottostazione vicino alla quale si verifica il guasto. Da qui, passa attraverso la terra fino all'impianto di messa a terra della fonte di alimentazione, quindi attraverso l'impianto di messa a terra della fonte di alimentazione, fino al generatore o al trasformatore che sta fornendo la corrente di guasto.
- Sistema di messa a terra ausiliario: se la sottostazione dispone di un sistema di messa a terra in aggiunta a quello del sito della sottostazione, una parte della corrente di guasto verrà deviata in questo sistema di messa a terra aggiuntivo. Si noti che l'armatura del pavimento in cemento armato di un edificio può essere considerata un sistema di messa a terra ausiliario, così come una terra remota.
La porzione di corrente di guasto iniettata nel sistema di messa a terra della sottostazione è solitamente denominata corrente di rete, che causerà un aumento di potenziale nel sistema di messa a terra.
La quantità di corrente di guasto che scorrerà lungo ciascun percorso dipende direttamente dalle loro impedenze relative. Ad esempio, se i cavi di terra hanno una bassa impedenza e non coprono una grande distanza tra la sottostazione guasta e la fonte di alimentazione, tenderanno a trasportare una parte maggiore della corrente di guasto rispetto a quando sono lunghi e ad alta impedenza. Analogamente, se l'impianto di messa a terra della sottostazione ha un'impedenza molto bassa, condurrà una parte molto maggiore della corrente di guasto rispetto a un'impedenza elevata.
Nella maggior parte dei casi la corrente di rete è molto inferiore alla corrente di guasto totale fornita dalla sorgente. Pertanto, vale la pena di analizzare la distribuzione della corrente di guasto durante la fase di progettazione, ma sono necessarie ulteriori informazioni sui percorsi conduttivi.
4 Progettazione per ridurre il GPR
Un impianto di messa a terra deve essere progettato in modo che la GPR non superi i 5000 V, soprattutto per proteggere le apparecchiature [3].
Per ridurre la GPR è necessario ridurre la resistenza della griglia e ciò si ottiene in modo più efficace aumentando le dimensioni (l'area coperta dalla) della griglia o aggiungendo aste che vengono conficcate negli strati inferiori del terreno a bassa resistività. La GPR può essere ridotta in misura minore aggiungendo conduttori all'interno della griglia.
La Tabella 1 mostra i risultati calcolati dal software SafeGrid Earthing per quattro semplici sistemi di messa a terra. Questi sistemi di messa a terra sono costituiti da una maglia quadrata di 20 m × 20 m interrata a 0,5 m di profondità, con l'aggiunta di barre (lunghe 3 m). Le correnti di guasto iniettate nei sistemi di messa a terra e le aree della sezione trasversale dei conduttori sono rispettivamente 1000 A e 70 mm2. Si ipotizza un modello di terreno uniforme con resistività 100 Ω.m.
Partendo dal Caso 1 e aggiungendo altri 2 conduttori a maglia lunga 20 m installati a croce, il GPR diminuisce del 6,37%. Se si aggiungono altri 6 conduttori di 20 m di lunghezza per formare la griglia del Caso 3 con un totale di 25 maglie, il GPR diminuisce del 14,1%.
L'aggiunta di conduttori interni a una griglia è meno efficace dell'aumento delle sue dimensioni. Il caso 4 mostra che aumentando la sola dimensione da 20 m a 25 m, la GPR diminuisce del 16,78%.
Si noti che la riduzione della resistenza di rete aumenterà la corrente di rete, con conseguente riduzione della GPR ottenuta ipotizzando l'assenza di variazioni di corrente.
5 Progettazione per ridurre le tensioni di contatto e di passo
Un sistema di messa a terra deve essere progettato in modo che le tensioni di contatto in qualsiasi punto del perimetro della sottostazione, durante un guasto, non siano pericolose. Poiché le tensioni di contatto sono la differenza di potenziale tra un punto della superficie terrestre e il sistema di messa a terra della sottostazione, la situazione ideale è che il potenziale della superficie terrestre sia vicino al GPR della sottostazione.
I grafici delle tensioni superficiali e delle tensioni di contatto per una griglia a 4 maglie sono mostrati nella Figura 4 (a) e (b) rispettivamente. Le 4 valli nel grafico delle tensioni superficiali corrispondono ai centri delle 4 maglie e sono i punti in cui esistono i maggiori potenziali di contatto. La tensione di contatto massima per questa griglia è di 642 V.
Figura 4 - Grafici della tensione di superficie e di contatto per una griglia a 4 maglie
La Figura 5 mostra i grafici delle tensioni di superficie e delle tensioni di contatto per la stessa griglia ma con 25 maglie. L'aumento del numero di maglie fa sì che le valli diventino molto meno profonde. Le tensioni di contatto massime diventano quindi molto più piccole. La tensione massima di contatto per questa griglia è di 391 V.
Figura 5 - Grafici della tensione di superficie e di contatto per una griglia a 25 maglie
A un certo punto, il miglioramento ottenuto con l'aggiunta di conduttori di rete diventa insignificante; nella Figura 5, è già evidente che non si otterrà un grande miglioramento rendendo le valli meno profonde, poiché il potenziale di contatto è già quasi uniforme in tutta l'area della rete. In questo caso, se è ancora necessario un miglioramento, è necessario abbassare il GPR stesso, ad esempio aumentando le dimensioni dell'impianto di messa a terra.
Le tensioni di gradino all'interno dell'area della sottostazione di solito non rappresentano un problema se le tensioni di contatto rientrano nei limiti di sicurezza. Non solo le tensioni di passo nell'area della sottostazione sono inferiori alle tensioni di contatto, ma gli esseri umani tollerano anche tensioni di passo più elevate rispetto alle tensioni di contatto.
Le tensioni di gradino sono di solito un problema solo lungo il perimetro della sottostazione, dove di solito esiste un forte gradiente di potenziale della superficie terrestre. Come regola generale, la ripidità del gradiente di potenziale è approssimativamente inversamente proporzionale alle dimensioni dell'impianto di messa a terra; i potenziali di gradino sono quindi suscettibili di rappresentare un problema maggiore per gli impianti di messa a terra di piccole dimensioni rispetto a quelli più grandi. Aumentare le dimensioni dell'impianto di messa a terra è un modo efficace per ridurre le tensioni di gradino.
Nonostante la riduzione delle tensioni di contatto all'interno della rete, le tensioni di contatto sul bordo della sottostazione sono ancora molto elevate. Per proteggere il personale e le apparecchiature all'esterno della sottostazione, è possibile aggiungere un anello di classificazione interrato (denominato "conduttori perimetrali" nello standard IEEE 80) 1 m oltre la rete di terra principale di 20 m × 20 m per ridurre le tensioni di contatto.
La Figura 6 mostra le tensioni di contatto e di passo senza anello di classificazione. La tensione massima di contatto è di 767 V. Anche le tensioni di passo lungo il perimetro della sottostazione non sono accettabili.
Figura 6 - Grafico 2D delle tensioni di contatto e di passo senza anello di classificazione
La Figura 7 mostra le tensioni di contatto e di passo con l'anello di livellamento interrato alla stessa profondità della rete principale. L'installazione dell'anello di livellamento provoca una riduzione significativa delle tensioni di contatto e di passo. La tensione massima di contatto scende a 425 V e anche le tensioni di passo lungo il perimetro della sottostazione si riducono a circa 50 V, rispetto ai 200 V senza anello di livellamento.
Figura 7 Grafico 2D delle tensioni di contatto con anello di classificazione
6 Effetti della struttura della resistività del terreno sulle tensioni
In un sito di sottostazione reale, la struttura della resistività del terreno non è in genere uniforme. Per la maggior parte dei siti, un modello di terreno multistrato è più realistico e accurato per valutare le prestazioni elettriche dei sistemi di messa a terra.
In questa sezione esaminiamo gli effetti sulle tensioni di superficie delle differenze tra le resistività dello strato superiore e di quello inferiore per un semplice terreno a due strati. La maggior parte delle strutture del terreno richiede un modello con 3-5 strati.
I tipici modelli di terreno a due strati sono:
- Modello High-on-low (la resistività dello strato superiore è superiore a quella dello strato inferiore)
- Modello low-on-high (la resistività dello strato inferiore è superiore a quella dello strato superiore)
Per dimostrare i diversi effetti dei terreni alti su bassi e bassi su alti sulle tensioni di contatto e di passo, si utilizza una semplice griglia di messa a terra di 20 m × 20 m senza barre.
La Figura 8 mostra le tensioni superficiali con un modello di terreno high-on-low, in cui la resistività dello strato superiore del terreno è di 500 Ω.m con una profondità di 1,5 m e la resistività dello strato inferiore del terreno è di 50 Ω.m. La tensione superficiale massima è di 3595 V. Per un modello high-on-low, la corrente di guasto che entra nello strato superiore ad alta resistività vuole sfuggire nello strato inferiore a bassa resistività.
Figura 8 - Grafici delle tensioni di superficie del modello di terreno alto/basso
La Figura 9 mostra le tensioni superficiali con il modello di terreno basso-alto, in cui la resistività dello strato superiore è di 50 Ω.m con una profondità di 1,5 m e la resistività dello strato inferiore è di 500 Ω.m. La maggiore resistività dello strato inferiore impedisce alla corrente di fluire negli strati profondi del terreno, causando un aumento delle tensioni superficiali. La tensione superficiale massima del modello di terreno basso/alto raggiunge i 5525 V.
Figura 9 - Grafici delle tensioni di superficie del modello di terreno basso-alto
La resistività dello strato inferiore avrà la maggiore influenza sulla resistenza della griglia e sull'aumento del potenziale della griglia rispetto allo strato superiore (a causa dei loro spessori relativi - lo spessore dello strato inferiore si estende a profondità infinita). Pertanto, uno strato inferiore a bassa resistività comporterà una bassa resistenza complessiva della griglia e una GPR - questo è il vantaggio. Tuttavia, se il modello di resistività del terreno è di tipo alto-basso, le tensioni di contatto possono essere molto più elevate che nel caso di basso-alto, a causa delle forti variazioni nel profilo delle tensioni superficiali.
7 Utilizzare le aste per migliorare la sicurezza
Ⅰ. Aste separate con considerazione dell'effetto di prossimità
Le barre installate nell'impianto di messa a terra possono migliorare le prestazioni, ma per essere efficaci le barre devono essere separate da una distanza adeguata.
Come mostra la Figura 10, il campo di un segmento influenzerà i segmenti adiacenti e viceversa, riducendo la loro capacità di dissipare la corrente di guasto, il cosiddetto effetto di prossimità. L'affollamento di più aste verticali non è altrettanto vantaggioso in termini di $/Ω rispetto a quello ottenibile con un numero inferiore di aste adeguatamente distanziate.
Per illustrare questo fenomeno, è stata costruita una semplice griglia, mostrata nella Figura 11, con 4 aste da 5 m in ogni angolo. Le aste sono separate da 1, 2, 3, 4, 5, 7,5, 10 e 20 m. I conduttori della griglia (orizzontali) sono isolati per garantire che i risultati siano influenzati solo dalla distanza delle aste.
La Figura 12 mostra l'impedenza della griglia al variare della distanza tra le barre. Si noti che la resistenza complessiva si riduce significativamente separando le aste fino alla loro lunghezza. Pertanto, si può concludere che le aste devono essere separate a una distanza superiore alla lunghezza dell'asta.
Pertanto, in generale, per essere efficaci, le aste devono essere distanziate di almeno la loro lunghezza. Per esempio, le aste di 5 m di lunghezza devono essere distanziate di almeno 5 m.
Ⅱ. Utilizzo efficace delle aste in base alle caratteristiche del terreno
L'uso di barre per ridurre le tensioni può essere meno efficace in alcuni casi.
La Tabella 2 mostra l'impedenza di rete dei sistemi di messa a terra con e senza barre per diversi modelli di terreno. L'installazione dei tiranti riduce l'impedenza di rete, soprattutto per il modello di terreno alto-basso.
L'impedenza della griglia si riduce dell'86,14% dopo l'aggiunta dei tondini per il modello di terreno alto-basso, mentre l'uso dei tondini nel modello di terreno basso-alto non è molto efficace (riduzione del 24,53%) poiché le correnti rimangono nello strato superiore del terreno. Questo problema può essere risolto con l'installazione di contrappesi (conduttori orizzontali che si estendono verso l'esterno della griglia, di solito agli angoli) per il modello di terreno basso-alto, in quanto aumenta l'area coperta dalla griglia di messa a terra. L'aumento dell'area coperta dalla rete di terra migliorerà sempre le prestazioni.
Riferimenti
[1] "IEEE Guide for Safety in AC Substation Earthing", IEEE Std 80-2013.
[2] "Effetti della corrente sull'uomo e sul bestiame - Aspetti generali". IEC 60479-1:2018.
[3] "Limite massimo dell'aumento del potenziale di terra ammissibile del sistema di messa a terra della sottostazione". IEEE Transactions on Industrial Applications (volume 51, numero 6, 2015).
