Bobina Petersen

Uno stato del neutro che offra solo vantaggi non esiste. Il neutro si può collegare a terra tramite resistenza, o induttanza o direttamente. In Italia si era scelto di lasciarlo isolato, in media tensione, in quanto la corrente di guasto a terra era in tal modo ridotta al centinaio di ampere pur avendosi l'inconveniente delle sovratensioni.

Ma le cose cambiano. L'estendersi delle reti in cavo, che comporta una progressiva diminuzione della reattanza capacitiva di esercizio,ha portato le correnti di guasto a valori eccessivi. Con la direttiva DK 5600 del 1° marzo 2004, l'Enel ha deciso di modificare il tipo di distribuzione in media tensione: non più neutro isolato ma neutro compensato.

Il neutro viene collegato a terra mediante bobina Petersen, sistema già adottato in Germania e nei paesi nordici. Lo scopo della bobina Petersen è di ridurre il valore della corrente di guasto monofase a terra. Tale corrente può, teoricamente, essere addirittura nulla se l'induttanza della bobina è accordata (in risonanza) con la totale capacità di esercizio della rete.

Per analizzare l'azione della bobina Petersen nei riguardi del guasto a terra, si faccia riferimento alla fig. 1. I generatori di tensione sono considerati ideali; con C sono rappresentate le capacità di esercizio dei conduttori di linea rispetto a terra e con L_p l'induttanza della bobina Petersen.

Supponiamo ci sia un guasto a terra per la fase 1 (fig. 1.1). Il circuito cui fare riferimento è quello di fig. 1.2 . che rappresenta il generatore equivalente di Thevenin visto tra i punti 1 e T, in assenza del guasto. Si è trascurata la resistenza R_p della bobina. La tensione di Thevenin è la stellata verso terra, cioè E₁; la sua impedenza interna è il parallelo delle tre reattanze capacitive 1/wC, quindi X'=1/3wC, con la reattanza induttiva della bobina di Petersen: X_p=wL_p . La corrente di guasto è perciò data dal rapporto tra la tensione E₁ e l'impedenza equivalente costituita dalla serie dell'impedenza di guasto l'impedenza interna del generatore. Il valore efficace massimo, I_g,max , si ottiene nel caso di guasto franco, cioè con Z_g=0. Quindi, poiché su capacità ed induttanza le correnti sono in opposizione di fase, si ha:

I_g,max=E₁*(1/X' – 1/X_p) = E₁*(3wC – 1/wL_p)

Si vede immediatamente che se X_p=X' (condizione di risonanza), quindi se l'induttanza della bobina vale L_p=1/3w²C la corrente di guasto è nulla.

La bobina Petersen va dunque dimensionata sulla rete in cui è inserita. L'installazione effettiva prevede ad ogni modo anche una resistenza in parallelo (400..600 ohm) per facilitare il funzionamento delle protezioni wattmetriche, ed una in serie alla resistenza della messa a terra per limitare la durata della componente unidirezionale transitoria della corente di guasto.

Il neutro isolato darebbe invece luogo, sempre in caso di guasto franco, ad una corrente capacitiva

I_{g, max}=E₁*3wC

crescente con C, quindi con l'estensione della rete, che diventa notevole soprattutto per le reti in cavo la cui capacità di esercizio è maggiore di quella delle linee aeree.

Con il neutro isolato esiste anche un ulteriore problema, come detto. La tensione che assumono le fasi sane in caso di guasto verso terra è data, per il secondo principio di Kirchhoff, dalla differenza (vettoriale) tra la tensione di fase e la tensione tra terra e neutro.

Se il guasto è franco, come quello esaminato, la tensione verso terra della fase guasta è nulla, mentre la tensione tra terra e neutro è uguale alla tensione della fase stessa, cioè E₁. Nelle fasi sane la tensione fase-terra assume perciò il valore della tensione concatenata. Se il guasto ha una resistenza finita, la tensione nelle fasi sane assume un valore compreso tra il valore della stellata verso terra e la concatenata. Ciò impone che l'isolamento verso terra sia dimensionato comunque sempre per la concatenata.

Se poi il guasto è induttivo, la tensione cresce ulteriormente, tanto più quanto più l'induttanza del guasto è comparabile con il valore L_g=1/3w²C.

La bobina Petersen adattata alla linea, impedisce i valori elevati della corrente di guasto, limitando le tensioni del sistema verso terra anche nel caso di guasti induttivi.

Si può limitare la tensione verso terra anche con l'impiego di una resistenza, R, con cui collegare il neutro a terra. Affinché la tensione terra neutro non superi il valore della tensione di fase basta che sia R<X' cioè R<1/3wC.

L'introduzione della bobina Petersen comporta una modifica delle protezioni utente ed una verifica di idoneità dell'impianto di terra.

Fig. 1 - Guasto a terra con collegamento a terra del neutro mediante induttanza