SCARICATORI DI TENSIONE PER IMPIEGO NEI SISTEMI IN CAVO ELETTRICO AD ALTA TENSIONE. Descrizione del problema Nei cavi elettrici con isolamento solido, il conduttore isolato è rivestito con una guaina o uno schermo metallico, di piombo, di rame o di alluminio, il cui compito principale è quello di preservare l'isolante dalla penetrazione di umidità e costituire un circuito di ritorno per le correnti di guasto. Dal punto di vista elettrico questa guaina viene a costituire un conduttore accoppiato al conduttore principale. Consideriamo una terna di cavi unipolari formante un sistema trifase (Fig. 1). Le guaine dei tre cavi costituiscono un circuito trifase accoppiato al circuito trifase dei conduttori. Le correnti in questi circolanti generano un flusso magnetico che, concatenandosi con il circuito delle guaine metalliche, vi determina delle f.e.m. indotte. Se il circuito delle guaine metalliche è chiuso, come per esempio accade nel caso molto comune in cui ogni guaina è messa a terra a entrambi gli estremi, circolano in esso delle correnti indotte e quindi si hanno delle perdite di energia per effetto joule. La presenza di queste perdite è dannosa da un duplice punto di vista: innanzitutto la potenza ivi dissipata è di per sè una potenza perduta e quindi abbassa il rendimento della trasmissione; in secondo luogo tale potenza contribuisce ad aumentare la temperatura del cavo. Poiché ogni tipo di cavo ha una sua temperatura massima di esercizio imposta da considerazioni di conservazione dell'isolante, ne deriva che, a parità di potenza utile trasportata, la presenza delle perdite nelle guaine metalliche comporta la necessità di prevedere conduttori di sezione maggiore e quindi cavi di dimensioni, peso e costo maggiori. Da notare che nei cavi di dimensioni maggiori l'entità di queste perdite può essere dello stesso ordine di grandezza delle perdite nei conduttori. Figura 1 Si comprende quindi come nell'impiego dei cavi unipolari si sia ben presto fatta sentire l'esigenza di abolire o ridurre in qualche modo queste perdite nei casi in cui esse siano quantitativamente rilevanti. A tale scopo sono stati sviluppati negli anni due possibili metodi per mitigare le perdite per effetto Joule nelle guaine metalliche; uno fondato sull'impiego di una opportuna trasposizione delle guaine stesse e l'altro consistente nell'inserire nel circuito delle guaine delle impedenze di valore sufficientemente elevato da ridurre le correnti circolanti a valori trascurabili, fino ad arrivare al metodo del circuito aperto.
Il metodo della trasposizione delle guaine Il metodo della trasposizione delle guaine consiste nell'isolare elettricamente una dall'altra e verso terra le guaine metalliche delle successive pezzature di cavo e nel collegare poi tra loro in serie le guaine appartenenti nell'ordine alle tre fasi del circuito dei conduttori (fig. 2). Figura 2 I tre circuiti così ottenuti vengono poi messi in corto circuito agli estremi (che di solito sono anche messi a terra). In questo modo nelle tre guaine di ogni circuito vengono indotte tre f.e.m. sfasate di 120. Le guaine metalliche sono sede di tensioni indotte, sia durante il funzionamento normale, sia durante il funzionamento anormale (corto - circuiti o sovratensioni). L'esistenza di queste tensioni richiede che le guaine metalliche siano uniformemente isolate per tutta la lunghezza delle pezzature. A ciò provvede la guaina termoplastica di cui è solitamente munito il cavo. Inoltre, per la possibilità stessa di eseguire la trasposizione incrociata, occorre che in corrispondenza dei giunti tra pezzature contigue, la guaina metallica di una pezzatura sia elettricamente isolata da quella della pezzatura successiva. Ciò in pratica si ottiene munendo la carcassa metallica del giunto, cui fanno capo le due guaine, di un opportuno anello isolante che ne interrompe la continuità (giunto sezionato).
Il metodo delle guaine in circuito aperto Un metodo concettualmente più semplice di quello della trasposizione della guaina è quello consistente nel lasciare le guaine in circuito aperto, per esempio sezionando le guaine delle successive pezzature, connettendole a terra ad un estremo e lasciandole isolate all'altro estremo. (fig. 3). Figura 3 In questo modo, essendo il circuito delle guaine aperto, non vi possono essere ovviamente correnti di circolazione. Naturalmente le f.e.m. indotte si manifestano come tensioni ai capi del circuito delle guaine. Queste tensioni possono assumere valori piuttosto elevati in occasione di corto-circuiti. In particolare durante un corto-circuito fase-terra la corrente di ritorno, non potendo fluire attraverso le guaine è costretta a tornare soltanto attraverso il terreno, concatenando in tale modo un flusso molto elevato e originando di conseguenza elevatissime tensioni indotte ai capi delle guaine. Di qui la necessità di prevedere parallelamente ai cavi una opportuna fune metallica di terra atta a costituire una via di bassa impedenza attraverso la quale fluisca la maggior parte della corrente di ritorno. Il comportamento in esercizio normale Il fatto più caratteristico delle linee in cavo con connessione speciale delle guaine metalliche come sopra descritto, è la presenza delle tensioni indotte. Esse sono importanti sia dal punto di vista del progetto perché occorre prevedere adeguati isolamenti e sezionamenti dei circuiti delle guaine (guaine termoplastiche e anelli isolanti dei giunti) nonché speciali apparecchi di protezione (resistori non lineari, scaricatori, sezionatori) opportunamente collegati ai circuiti delle guaine, sia dal punto di vista dell'esercizio (controlli periodici dell'isolamento, provvedimenti antinfortunistici). Le variabili che influenzano le tensioni indotte sono la geometria dei cavi, la lunghezza della tratta di cavo in esame e la corrente circolante in funzionamento normale o di guasto (trifase simmetrico e monofase). Il comportamento in occasione di sovratensioni Quando un'onda a impulso si propaga nei conduttori essa induce un'analoga onda a impulso nelle guaine metalliche. Il valore numerico dell'onda di tensione indotta è legato in modo complesso al valore dell'onda di tensione inducente tramite le impedenze d'onda dirette e mutue. Nei punti di discontinuità (passaggi da linea aerea a linea in cavo, passaggi da linea in cavo a trasformatore ecc.), ogni onda incidente dà luogo a un'onda riflessa e a un'onda rifratta. Il valore della tensione in un punto del sistema ad un certo istante viene a dipendere dal gioco di queste successive riflessioni e rifrazioni. Da quanto si è accennato si comprende
come il calcolo di queste tensioni impulsive sia in ogni caso così complicato da richiedere in via pregiudiziale l'impiego del calcolatore elettronico. La grande complessità di calcolo ha anzi suggerito l'idea di risolvere il problema per via analogica, cioè costruendo un modello di rete riproducente il sistema in esame e misurando con l'oscillografo le tensioni nei vari punti, dopo aver iniettato nella rete l'onda impulsiva di cui si vuole studiare la propagazione. I parametri che influenzano il calcolo sono: a) Il rapporto z1 / z2 tra le impedenze d'onda conduttore-guaina metallica e guaina metallicaterra. Il minimo valore di z2 si ha per terra perfettamente conduttrice, il massimo per terra perfettamente isolante. In questo caso il ritorno di ogni guaina metallica è costituito dalle altre due guaine metalliche e l'impedenza z diventa la mutua impedenza zm tra una guaina e le altre due. Il calcolo potrà essere eseguito per diversi valori del rapporto z1 / z2. b) Rapporto v1 / v2 tra le velocità di propagazione delle onde propagantesi tra conduttore e guaina e tra guaina e terreno rispettivamente. Per le onde a gradino la velocità è inversamente proporzionale alla ε, dove ε è la costante dielettrica relativa del dielettrico interessato Il calcolo dovrà essere eseguito per diversi valori del rapporto v1 / v2. c) Infine occorre considerate l'attenuazione. Per le onde propagantisi tra conduttore e guaina metallica questa attenuazione è minima e perciò può essere trascurata. Per le onde guaina metallica-terreno si potrà fare riferimento a un'attenuazione del 10-20%. d) Oltre ai parametri fisici di cui sopra occorre considerare i parametri geometrici (dimensioni di cavi, distanza interassiale, numero e lunghezza delle pezzature) e le condizioni al contorno (cioè il tipo di connessioni della linea in cavo: trasformatore, linea aerea, altra linea in cavo). È evidente da quanto esposto che il calcolo può essere eseguito solo caso per caso, cioè che non è possibile stabilire semplici e uniformi legami analitici fra la tensione incidente e le massime tensioni che possono verificarsi nel collegamento attraverso il gioco delle rifrazioni e riflessioni.
Soluzione del problema La soluzione del problema della protezione delle guaine termoplastiche dei cavi in caso di guasto dovuto ai corto circuiti si affronta ricorrendo all'inserzione nei punti più sollecitati del circuito delle guaine metalliche di opportuni scaricatori di tensione aventi lo scopo di deviare nel terreno, attraverso vie a bassa impedenza, le sovratensioni impulsive. In questo modo tutto il livello delle tensioni indotte si abbassa a valori accettabili. Questi apparecchi funzionano perciò da resistori non lineari (alta impedenza in condizioni normali, bassa impedenza in presenza di sovratensioni). Perciò un sistema a guaine trasposte sarà munito di apparecchi di protezione inseriti all interno di speciali cassette di sezionamento, come illustrato in fig. 4 ove è rappresentato lo schema elettrico completo di un sistema siffatto composto da due sezioni (6 pezzature). Nella figura è riportato il solo circuito della guaina. Figura 4 Diverso è il problema della protezione dei cavi nei confronti delle tensioni impulsive causate da manovre di apertura dei circuiti o da fulminazioni, che attraverso la linea aerea arrivano ad interessare anche i cavi interrati. In questo caso, il fenomeno riguarda la protezione dell isolamento del cavo in quanto l onda di tensione percorre il conduttore, diversamente dal caso del corto circuito in cui la tensione è indotta sulle guaine metalliche dei cavi. Pertanto, in caso di tensione impulsiva, qualora la lunghezza della linea sia inferiore alla sua lunghezza di autoprotezione, la protezione deve essere garantita da scaricatori di tensione da installare generalmente in prossimità dei terminali per esterno dei cavi.
Conclusioni Se si escludono fenomeni impulsivi esterni, si potrebbe affermare in un certo senso che la comparsa delle tensioni indotte è il prezzo che bisogna pagare per l'abolizione delle correnti di circolazione e delle relative perdite. Queste tensioni sono del tutto trascurabili in esercizio normale, ma possono raggiungere in occasione di corto circuiti o sovratensioni, valori di molte migliaia di volt. Ciò ha delle conseguenze sia per il progettista che per l'esercente. Il progettista si deve preoccupare che nelle peggiori condizioni di funzionamento il sistema di isolamento e di protezione delle guaine metalliche non venga sollecitato al di là delle sue capacità. L'esercente deve a sua volta preoccuparsi di eseguire delle verifiche periodiche del grado di efficienza di tali sistemi di isolamento e protezione. Occorre tuttavia tenere conto che i vantaggi economici che derivano dall'adozione della trasposizione della guaine sono cosi rilevanti da compensare ampiamente le necessità di una manutenzione. Inoltre questa manutenzione si riduce ad una verifica con cadenza generalmente annuale dell'isolamento delle guaine anticorrosive e del buono stato dei resistori non lineari. Si tratta cioè di una manutenzione poco frequente da effettuare in occasione del periodo di fuori servizio per manutenzione della linea e quindi relativamente poco onerosa.