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Il trasformatore di messa a terra (trasformatore a zig-zag) fornisce un punto neutro per la messa a terra nelle reti elettriche trifase a tre conduttori

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Trasformatore a zig zag

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Il trasformatore di messa a terra, comunemente noto come trasformatore a zig-zag, è un trasformatore speciale utilizzato per fornire un punto neutro per la messa a terra in sistemi di alimentazione trifase a tre conduttori che non dispongono di un neutro accessibile. Esso crea un neutro artificiale, consentendo di collegare il neutro del sistema direttamente a terra o tramite un’impedenza di messa a terra, come una resistenza di messa a terra del neutro (NGR) o un reattore di messa a terra del neutro (NGRa).

A differenza dei trasformatori convenzionali, un trasformatore a zig-zag non è destinato ad alimentare carichi elettrici. Le sue funzioni principali sono la messa a terra dell’impianto, il controllo della corrente di guasto e la stabilizzazione della tensione.

Principio di funzionamento
In un sistema trifase bilanciato:
·Le tre correnti di fase sono uguali e sfalsate di 120°.
·La disposizione degli avvolgimenti fa sì che i flussi magnetici si annullino a vicenda.
·Il trasformatore assorbe solo una piccola corrente di magnetizzazione.

Durante un singolo guasto linea-terra:
1. La corrente di guasto a terra attraversa il trasformatore.
2. L’avvolgimento a zig-zag fornisce un percorso di ritorno per la corrente di sequenza zero.
3. Il punto neutro rimane stabile.
4. I relè di protezione rilevano il guasto e isolano il circuito interessato.

Struttura dell’avvolgimento a zig-zag
Il trasformatore presenta:
· Tre rami
· Due avvolgimenti interconnessi per ogni ramo
·Ogni avvolgimento trasporta metà di due diversi avvolgimenti di fase
·Avvolgimenti collegati a zig-zag

Questa configurazione:
·Produce una tensione trascurabile in condizioni di equilibrio
·Fornisce un percorso a bassa impedenza per le correnti di sequenza zero
·Impedisce alle correnti di sequenza positiva e negativa di fluire attraverso il neutro

Componenti principali

Nucleo magnetico
·Nucleo in acciaio al silicio CRGO
·Struttura a tre o cinque bracci
·Design laminato a basse perdite

Avvolgimenti
·Conduttori in rame o alluminio
·Disposizione degli avvolgimenti interconnessi a zig-zag
·Progettati per il funzionamento con correnti di guasto a terra

Terminale di neutro
·Punto neutro artificiale
Può essere:
·Messo a terra in modo solido
·Messo a terra tramite resistenza
·Messo a terra tramite reattanza

Sistema di raffreddamento
Tipi a bagno d’olio:
·ONAN – Raffreddamento naturale ad olio e ad aria
·ONAF – Raffreddamento naturale ad olio e ad aria forzata
Versioni a secco:
·AN – Raffreddamento naturale ad aria
·AF – Aria forzata

Specifiche tecniche tipiche
·Tensione di sistema: 3,3 kV – 66 kV (disponibili valori nominali superiori)
·Potenza nominale: 50 kVA – 10 MVA
·Frequenza: 50 Hz / 60 Hz
·Raffreddamento: ONAN, ONAF, AN, AF
·Messa a terra del neutro: solida, tramite resistenza o reattore
·Classe di isolamento: A, F o H
·Resistenza ai guasti di breve durata: tipicamente 10–60 s

Caratteristiche principali
·Crea un neutro artificiale
·Fornisce un percorso per la corrente di guasto a terra
·Migliora la stabilità del sistema
·Riduce le sovratensioni transitorie
·Supporta il funzionamento dei relè di protezione
·Design compatto ed economico
·Elevata resistenza ai cortocircuiti
·Perdite minime in condizioni operative normali

Applicazioni
·Sistemi di alimentazione industriali a media tensione
·Attività minerarie
·Impianti petrolchimici
·Parchi eolici
·Impianti solari
·Sottostazioni di distribuzione delle reti elettriche
·Messa a terra del neutro dei generatori
·Piattaforme offshore
·Centri dati
·Impianti di trattamento delle acque e delle acque reflue

Vantaggi
·Consente la messa a terra in assenza di neutro
·Migliora la sicurezza del personale e delle apparecchiature
·Limita le sovratensioni causate da guasti a terra
·Consente una protezione selettiva dai guasti
·Compatibile con resistenze e reattori di messa a terra del neutro
·Bassi requisiti di manutenzione
·Funzionamento affidabile a lungo termine

Considerazioni progettuali
Nel specificare un trasformatore di messa a terra, gli ingegneri prendono tipicamente in considerazione:
·Tensione di sistema
·Livello di corrente di guasto a terra
·Durata del guasto (ad es. 10 s, 30 s o 60 s)
·Metodo di messa a terra (diretta, tramite resistenza o reattore)
·Livello di isolamento (BIL)
·Metodo di raffreddamento
·Installazione in ambiente interno o esterno
·Condizioni ambientali

Norme applicabili
Tra le norme internazionali più diffuse figurano:
·IEC 60076 – Trasformatori di potenza
·IEEE C57.32 – Requisiti, terminologia e codice di prova per dispositivi di messa a terra del neutro
·Serie IEEE C57.12 – Requisiti generali per i trasformatori
·Specifiche di messa a terra delle aziende elettriche e specifiche del cliente

Installazione tipica
Un’installazione tipica di trasformatore di messa a terra comprende:
·Quadri di media tensione
·Trasformatore a zig-zag
·Resistenza di messa a terra del neutro (NGR) o reattore di messa a terra del neutro
·Trasformatore di corrente del neutro (CT)
·Relè di protezione contro i guasti a terra
·Scaricatori di sovratensione
·Collegamento alla rete di messa a terra
·Apparecchiature di monitoraggio e controllo

Sintesi
Un trasformatore di messa a terra (a zig-zag) è un trasformatore specializzato progettato per stabilire un punto neutro stabile in sistemi trifase che ne sono sprovvisti. Fornendo un percorso controllato per le correnti di sequenza zero e di guasto a terra, migliora la sicurezza del sistema, le prestazioni dei relè di protezione e la stabilità della tensione. I trasformatori a zig-zag sono ampiamente utilizzati in impianti industriali, impianti di energia rinnovabile e reti di distribuzione delle utility dove è essenziale un efficace collegamento a terra.