Ferrorisonanza nei Trasformatori di Potenziale (TV) di Media Tensione e Mitigazione mediante Resistenze di Smorzamento
Analizza i meccanismi fisici della ferrorisonanza non lineare nei TP di media tensione e scopri come dimensionare le resistenze di smorzamento.
Fisiologia della ferrorisonanza nei trasformatori di potenziale di media tensione
La ferrorisonanza è un fenomeno di oscillazione non lineare che interessa i circuiti in corrente alternata contenenti induttanze saturabili (come i nuclei ferromagnetici dei trasformatori di potenziale) e capacità (fornite da cavi isolati, accoppiamenti di sbarre o linee aeree). A differenza della risonanza lineare, in cui le frequenze di risonanza dipendono esclusivamente da valori fissi di induttanza (L) e capacità (C), la ferrorisonanza è caratterizzata da molteplici stati stabili a regime per un singolo insieme di parametri del sistema.
Il nucleo di un trasformatore di potenziale (TP) è progettato per funzionare nella regione lineare della sua curva di magnetizzazione in condizioni nominali. Tuttavia, a seguito di perturbazioni quali manovre di interruttori monofase, intervento di fusibili di potenza o l'insorgenza e l'estinzione di un guasto a terra monofase in un sistema a neutro isolato, il flusso magnetico nel nucleo può superare il limite di saturazione. Quando il nucleo si satura, l'induttanza di magnetizzazione istantanea si riduce bruscamente di diversi ordini di grandezza, alterando drasticamente la frequenza di risonanza naturale del circuito e consentendo la sincronizzazione con le frequenze fondamentali o subarmoniche della rete.
Meccanismi fisici di saturazione e modi di oscillazione
Esistono quattro modalità principali di ferrorisonanza classificate in base alla forma d'onda e al contenuto armonico delle tensioni e delle correnti risultanti:
- Modo fondamentale: I segnali di tensione e corrente sono periodici con una frequenza identica alla frequenza di rete (50 Hz o 60 Hz). Le ampiezze di sovratensione sono tipicamente elevate e accompagnate da una moderata distorsione d'onda.
- Modo subarmonico: I segnali sono periodici con una frequenza che è una frazione intera della frequenza di rete (tipicamente 1/3, 1/5 o 1/2). Questa modalità è estremamente pericolosa perché le correnti di magnetizzazione al primario raggiungono ampiezze molto elevate per periodi prolungati, causando un instancabile surriscaldamento termico dell'avvolgimento.
- Modo quasi-periodico: Caratterizzato da oscillazioni non periodiche che mostrano uno spettro di frequenza continuo con picchi discreti non armonici.
- Modo caotico: Non mostra alcuna periodicità e presenta un comportamento altamente sensibile alle condizioni iniziali, con transizioni brusche e disordinate nelle forme d'onda.
Analisi forense di un guasto in un impianto industriale
Per comprendere la gravità di questo fenomeno, esaminiamo un caso di studio reale in un impianto di processo chimico con una fornitura in media tensione a 13,8 kV con neutro isolato. La sottostazione principale alimentava un banco di trasformatori di potenziale da 13800/115 V collegati a stella con il neutro primario solidamente messo a terra, una pratica comune per la misura della tensione fase-terra.
Durante una manovra di commutazione ordinaria di un banco di condensatori di rifasamento adiacente, si è verificato un transitorio di tensione che ha superato il punto di saturazione dei TP. Gli oscillogrammi hanno registrato una sovratensione fase-terra sostenuta pari a 2,4 volte la tensione nominale, e le correnti di magnetizzazione primarie sono passate da pochi milliampere in condizioni nominali a picchi superiori a 4,5 ampere.
| Parametro operativo | Condizione nominale | Durante la ferrorisonanza (Subarmonica 1/3) |
|---|---|---|
| Tensione di linea (Fase-Terra) | 7,97 kV | 19,1 kV (2,4 p.u.) |
| Corrente di magnetizzazione primaria | 12 mA | 4,8 A |
| Temperatura dell'avvolgimento primario | 45 °C | Ha superato i 220 °C (Cedimento dell'isolamento) |
| Induttanza di magnetizzazione (L_m) | 12,5 kH | < 45 H (Saturazione profonda) |
La massiccia dissipazione termica nell'avvolgimento primario dovuta alle perdite per effetto Joule (I²R) ha causato il degrado istantaneo dell'isolamento in carta-olio, provocando l'esplosione catastrofica del TP della fase B e la conseguente propagazione di un arco elettrico nello scomparto di misura di media tensione.
Allineamento normativo e metodologie di mitigazione
La prevenzione e la mitigazione della ferrorisonanza sono rigorosamente regolamentate dagli standard internazionali di ingegneria elettrica. La norma IEC 61869-3 (specificamente per i trasformatori di tensione induttivi) richiede che le apparecchiature resistano agli effetti termici delle sovratensioni temporanee e delle correnti di saturazione senza subire danni strutturali.
Inoltre, la guida IEEE C37.110 raccomanda un'analisi dettagliata delle capacità di cortocircuito della sottostazione e sconsiglia la messa a terra dei neutri primari dei TP nei sistemi a media tensione con neutro isolato, a meno che non vengano implementate specifiche misure di smorzamento.
La soluzione ingegneristica più robusta e conforme agli standard prevede l'installazione di una resistenza di smorzamento della ferrorisonanza collegata all'avvolgimento secondario a triangolo aperto del set di TP. In condizioni di funzionamento equilibrato normale, la somma vettoriale delle tensioni secondarie è praticamente zero, evitando inutili perdite di potenza attiva nella resistenza. Tuttavia, durante una condizione di ferrorisonanza o un guasto a terra, compare una tensione residua significativa sul triangolo aperto, forzando il passaggio di corrente attraverso la resistenza di smorzamento. Ciò introduce un carico attivo che dissipa efficacemente l'energia oscillante e smorza il transitorio di ferrorisonanza.
Calcolo e dimensionamento delle resistenze di smorzamento con Vexten
Il dimensionamento accurato della resistenza di smorzamento è critico: un valore di resistenza troppo elevato non fornirà uno smorzamento sufficiente per estrarre il nucleo dalla saturazione, mentre un valore troppo basso può sovraccaricare termicamente gli avvolgimenti secondari del trasformatore di potenziale durante un guasto a terra monofase sostenuto.
Il modulo di analisi dei transitori elettromagnetici della suite Vexten semplifica questo processo di calcolo simulando le curve di magnetizzazione reali del TP e le capacità equivalenti della rete di media tensione. Vexten consente di inserire i dati della prova a vuoto del TP, definire la topologia di messa a terra del sistema e calcolare automaticamente il valore di resistenza ottimale in ohm e la potenza nominale in watt della resistenza di smorzamento per garantire la stabilità del sistema in qualsiasi scenario di commutazione.