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.
