Quando si progetta la protezione da guasto a terra (GFP) per un sistema di distribuzione di energia, si dovrebbe sempre considerare la natura della fonte di alimentazione. Se la fonte di alimentazione proviene da un sistema derivato separatamente, è necessario seguire alcune regole e linee guida per far sì che la GFP funzioni correttamente e protegga il sistema.

Per il National Electrical Code (NEC), sappiamo che un gruppo elettrogeno (gen-set) è un sistema derivato separatamente. L’effetto di un gruppo elettrogeno e del suo interruttore di trasferimento sul funzionamento delle apparecchiature GFP richiede molta attenzione, soprattutto a causa delle connessioni multiple neutro-terra.

Diamo un’occhiata dettagliata a ciò che è coinvolto e vediamo come evitare le insidie di progetti e installazioni improprie. Quanto segue è estratto da “Practical Guide to Ground Fault Protection” di EC&M Books e aggiornato ai requisiti del NEC 2005.

Elementi NEC. La sezione 250.20(B) stabilisce quando il sistema di alimentazione deve essere messo a terra, mentre la 250.20(D) richiede la messa a terra dei sistemi derivati separatamente. Tuttavia, secondo la FPN No. 1, quando il conduttore neutro di una fonte di alimentazione alternativa è solidamente collegato al sistema fornito dal servizio, tale fonte di alimentazione alternativa non è considerata un sistema derivato separatamente. Cosa significa questo?

Se una fonte derivata separatamente che soddisfa i requisiti del 250.20(B) include una fonte di alimentazione alternativa il cui conduttore neutro è solidamente collegato a quello della fonte preferita, il neutro della fonte alternativa è considerato collegato a terra attraverso la terra al sezionamento di servizio della fonte preferita. In altre parole, a volte il neutro di una fonte di alimentazione del gen-set sarà collegato a terra al neutro del gen-set; altre volte no. (Per vedere cosa si deve considerare prima di decidere quando mettere a terra il neutro, vedere la barra laterale “Quando si dovrebbe mettere a terra e commutare il neutro del gruppo elettrogeno” a pagina 31 e la barra laterale “Quando non si dovrebbe mettere a terra il neutro del gruppo elettrogeno” a pagina 32.)

Problemi da connessioni multiple neutro-terra. Due problemi principali sorgono da queste connessioni.

Rilevamento incompleto dell’errore di terra. Consideriamo un interruttore di trasferimento a 3 poli con GFP a sequenza zero al servizio, come mostrato in Fig. 1. Supponiamo che si verifichi un guasto tra uno dei conduttori di fase e il condotto metallico che racchiude questi conduttori. La corrente di guasto a terra risultante ha due percorsi che può seguire per tornare al neutro del trasformatore.

Il percorso 1 è direttamente indietro al trasformatore lungo il conduttore di terra dell’apparecchiatura. Il percorso 2 è lungo il conduttore di messa a terra dell’apparecchiatura fino al punto in cui il gruppo elettrogeno è messo a terra, poi al neutro del gruppo elettrogeno, e infine lungo il conduttore neutro fino al neutro del trasformatore.

Tenete presente che un GFP a sequenza zero agisce quando rileva un valore predeterminato di squilibrio di corrente. Quindi, la corrente che segue il percorso 2 passerà attraverso il sensore GFP del trasformatore proprio come se fosse una normale corrente di carico, e il GFP a sequenza zero rileverà solo la corrente di guasto che segue il percorso 1. Come risultato, si avrebbe un rilevamento incompleto della corrente di guasto totale.

Intervento di disturbo. Ora, consideriamo un interruttore di trasferimento a 3 poli e un GFP a sequenza zero con un carico sbilanciato, come mostrato in Fig. 2. Di nuovo, la corrente squilibrata nel neutro ha due percorsi da seguire. Il percorso 1 è direttamente al neutro di servizio. Il percorso 2 è verso il neutro del gruppo elettrogeno, attraverso l’elettrodo di messa a terra del gruppo elettrogeno e – attraverso gli involucri metallici delle apparecchiature, le condutture, i raccordi, ecc – di nuovo al neutro di servizio.

La corrente attraverso il percorso 2 avrebbe lo stesso effetto sul sensore di guasto a terra della corrente di guasto a terra. Pertanto, un carico sbilanciato influenzerebbe la sensibilità del sensore GFP e potrebbe far scattare l’interruttore anche se non esiste un guasto o una corrente di cortocircuito.

Il problema con entrambi i collegamenti GFP discussi sopra è che i neutri del trasformatore e del gruppo elettrogeno sono legati insieme nell’interruttore di trasferimento. Ci sono tre possibili soluzioni per superare i problemi di cui sopra.

Soluzione 1: interruttore di trasferimento a 4 poli. Questo tipo di interruttore di trasferimento fornisce un isolamento completo dei conduttori neutri di servizio e del gruppo elettrogeno, eliminando così sia il rilevamento improprio che l’intervento fastidioso causato da connessioni multiple neutro-terra. La Fig. 3 mostra come l’interruttore di trasferimento a 4 poli fornisce l’isolamento in caso di guasto a terra. Come si può vedere, c’è solo un modo in cui la corrente di guasto può tornare al neutro del trasformatore. Con i neutri così isolati, si può aggiungere un GFP convenzionale all’uscita del gen-set.

Fate attenzione qui perché questo può causare altri problemi. Quando l’interruttore di trasferimento interrompe il carico da una sorgente, le correnti nelle singole linee e nel neutro potrebbero non essere tutte eliminate nello stesso istante. E’ possibile che la corrente nel conduttore neutro, che di solito è inferiore alle correnti di linea, si liberi per prima. Come tale, l’interruttore di trasferimento può collegare momentaneamente il carico a una fonte di alimentazione con il neutro scollegato. Se il carico è sbilanciato, potrebbero verificarsi tensioni anomale su ogni fase del carico per un periodo di 10 millisecondi. Allo stesso tempo, i carichi induttivi potrebbero causare ulteriori alte tensioni transitorie nell’ordine dei microsecondi.

Soluzione 2: Isolamento attraverso un trasformatore delta-wye. Se avete un carico critico trifase a 4 fili che è relativamente piccolo rispetto al resto del carico non critico, potete usare un trasformatore di isolamento sul lato del carico dell’interruttore di trasferimento (Fig. 4). Questo richiede che entrambe le fonti di alimentazione lato linea dell’interruttore di trasferimento siano trifase, a 3 fili.

Uno sbilanciamento del carico critico non avrà alcun effetto sul GFP al servizio in entrata. Inoltre, le correnti di guasto a terra non verrebbero trasmesse attraverso il trasformatore a triangolo. Inoltre, il dispositivo di protezione primario “vede” qualsiasi aumento della corrente primaria dovuta a guasti a terra semplicemente come un sovraccarico.

Ci sono due elementi da prendere in considerazione con questa soluzione. Primo, non fornisce protezione contro i guasti a terra sul lato secondario del trasformatore di isolamento. In secondo luogo, poiché l’interruttore di trasferimento non è situato direttamente davanti al carico, non fornisce una protezione di emergenza in caso di guasto del trasformatore di isolamento.

Per quanto riguarda i costi, dovrete valutare l’economia di fornire un interruttore di trasferimento standard a 3 poli con un piccolo trasformatore di isolamento rispetto ad altri approcci. Può essere che il costo del trasformatore di isolamento sia inferiore al costo extra di un interruttore di trasferimento modificato. Dovrete anche considerare i risparmi sui costi derivanti da un’installazione minima di conduttori neutri. In applicazioni come ospedali ed edifici commerciali, il carico di illuminazione a 4 fili di solito rappresenta una percentuale sostanziale del carico totale essenziale. Pertanto, aggiungere un trasformatore in questi casi è raramente economicamente fattibile.

Soluzione 3: interruttore di trasferimento con contatti neutri sovrapposti. Sono disponibili interruttori di trasferimento che permettono la sovrapposizione dei contatti neutri di trasferimento. Questo collega i neutri delle fonti di alimentazione normale e di emergenza, ma solo durante il periodo di trasferimento. Con un interruttore di trasferimento convenzionale a solenoide, a due vie, il tempo durante il quale i neutri sono collegati può essere inferiore al tempo di funzionamento del sensore di guasto a terra, che di solito è impostato ovunque da sei a 24 cicli.

La figura 5 mostra un tipico sistema che utilizza un interruttore di trasferimento a 3 poli con contatti sovrapposti per isolare i conduttori neutri. Non c’è nessun possibile flusso di corrente di guasto attraverso il conduttore neutro che potrebbe sminuire o ridurre efficacemente il rilevamento di un guasto a terra. Inoltre, non c’è nessun possibile flusso di corrente sbilanciata attraverso il neutro del gen-set per alterare il pick-up del sensore di guasto a terra e possibilmente causare un intervento fastidioso.

Il neutro del carico è sempre collegato a entrambe le fonti di alimentazione. Poiché non c’è un’apertura momentanea del conduttore neutro quando l’interruttore di trasferimento funziona, le tensioni anomale e transitorie sono mantenute al minimo. Inoltre, non c’è erosione dei contatti sovrapposti a causa di archi elettrici. Questo assicura l’integrità del trasporto di corrente e nessun aumento dell’impedenza del circuito neutro. Poiché i contatti sovrapposti non sono necessari per interrompere la corrente, il costo dell’aggiunta di tali contatti a un interruttore di trasferimento è generalmente inferiore all’aggiunta di un quarto polo.

C’è più di un aspetto negativo a questa soluzione, che si concentra principalmente sul retrofit degli interruttori di trasferimento esistenti. In primo luogo, può essere difficile adattare la sovrapposizione dei contatti ai gruppi di interruttori di trasferimento che hanno interruttori automatici stampati interbloccati a causa delle configurazioni meccaniche relativamente fisse di queste unità. Inoltre, il loro tempo di trasferimento operativo più lento potrebbe diventare un fattore limitante. Infine, ci può essere spazio insufficiente all’interno del cubicolo che ospita un interruttore di trasferimento convenzionale per un gruppo di contatto sovrapposto, o il meccanismo operativo di trasferimento può essere inadeguato. Detto questo, il retrofit di contatti neutri sovrapposti a un interruttore di trasferimento esistente si è dimostrato economicamente fattibile in alcune applicazioni Quindi, non scartare questa soluzione come possibilità di retrofit senza almeno fare un’analisi concertata.

La gestione delle correnti di guasto a terra con sistemi derivati separatamente dipende molto dall’applicazione, dalla configurazione del sistema e ovviamente dai costi associati. Inoltre, per ridurre l’ampiezza della corrente di guasto, ci sono sistemi di messa a terra a resistenza che vengono confezionati con una resistenza di messa a terra, un sezionatore, un dispositivo di rilevamento e controlli. Inoltre, se il neutro non è disponibile, il pacchetto può includere un banco di trasformatori di derivazione del neutro.

L’interesse dell’industria per le GFP. L’interesse per le GFP non è diminuito durante i vari cicli del codice. Infatti, gli appaltatori elettrici, il personale di manutenzione elettrica degli impianti e gli ingegneri elettrici hanno tutti richiesto informazioni più complete e concise sull’argomento. Il valore in dollari della perdita di attrezzature, il tempo di inattività della produzione e la responsabilità personale associata all’arco di terra può essere impressionante.

Nonostante l’applicazione efficace e qualificata dei dispositivi di sovracorrente convenzionali, il problema dei guasti a terra continua ad esistere. Quindi, nell’interesse della sicurezza, la progettazione del sistema elettrico deve anche tenere conto della protezione contro i guasti a terra. Questo richiede una comprensione approfondita e dettagliata della natura ampia e complessa del flusso di corrente di guasto nei sistemi elettrici.

Barra laterale: Quando si deve mettere a terra e commutare il neutro del gruppo elettrogeno

Quando il servizio rientra nei requisiti della 230.95, si dovrebbe mettere a terra il neutro ad ogni fonte, e commutarlo dove il Codice richiede il coordinamento del rilevamento dei guasti a terra. Quando la potenza del servizio è uguale o superiore a 1.000A (833kVA), la 230.95 richiede la protezione da guasto a terra sul sezionatore di servizio. Ma cosa succede se il vostro carico è abbastanza importante da giustificare una fonte di alimentazione alternativa e un interruttore di trasferimento? In quel caso, potreste voler espandere lo schema di protezione da guasto a terra alla protezione del circuito derivato di secondo livello, secondo la 230.95(C), FPN No.2.

Quando il NEC richiede la protezione da guasto a terra – e avete un’alimentazione alternativa – dovete commutare il neutro. Se avete un servizio più grande di 1.000A, il NEC richiede la protezione da guasto a terra allo scollegamento del servizio principale. Se la messa a terra del neutro del gruppo elettrogeno passa attraverso una connessione solida al neutro del servizio principale, e il gruppo elettrogeno subisce un guasto a terra mentre alimenta il carico, il sezionatore del servizio principale si aprirà. Questo non scollegherà il guasto ad arco dal gruppo, e il coordinamento sarà perso.

Se i neutri delle due fonti sono messi a terra separatamente, è necessario commutare il conduttore del neutro del carico alla fonte che alimenta il carico, secondo 230.95(C), FPN No. 3. La corrente di guasto a terra tornerà solo alla sorgente da cui ha avuto origine, fornendo il coordinamento dello schema di protezione da guasto a terra.

Non è sempre necessario mettere a terra separatamente il conduttore neutro del gruppo elettrogeno. Tuttavia, se lo si fa, potrebbe essere necessario commutare il neutro di un carico insieme ai suoi conduttori di fase quando si trasferiscono i carichi tra le fonti di alimentazione, in particolare quando si utilizza la protezione da guasto a terra. Il NEC richiede la protezione da guasto a terra per 480/277V, trifase, 4 fili, servizi collegati a stella con un valore nominale di 1.000A o più, ma è opzionale in altre configurazioni che non includono la protezione da guasto a terra. Tuttavia, dove un conduttore neutro del circuito derivato si trasferisce tra le fonti, i mezzi di commutazione dovrebbero assicurare che il contatto di commutazione del conduttore neutro non interrompa la corrente.

Quando non si dovrebbe mettere a terra il neutro del gruppo elettrogeno

Tra le ragioni per non mettere a terra separatamente un neutro del gruppo elettrogeno c’è il fatto che il NEC non richiede il rilevamento dell’errore a terra. Generalmente, una solida connessione del neutro del gruppo al neutro di servizio preferito preclude la messa a terra separata del neutro del gruppo.

Ora, è possibile mettere a terra i neutri di origine del gruppo di sistemi di alimentazione che non rientrano nel 250.20(B) collegandoli al neutro di servizio preferito. Pertanto, per i sistemi di alimentazione a 480/277V, trifase, a 4 fili, collegati a stella, con potenza inferiore a 1.000A (833kVA), è possibile collegare il conduttore del neutro del gruppo elettrogeno direttamente al neutro di servizio preferito. Potete anche collegare il conduttore neutro del gruppo direttamente al neutro di servizio preferito per tutti i sistemi di alimentazione 208/120V, trifase, a 4 fili, collegati a stella.

Con la carenza di energia e il telelavoro in aumento, lo è anche il numero di residenze con gruppi elettrogeni in standby. Il polo di terra di queste prese è collegato al telaio del gen-set, che è collegato al punto neutro dell’avvolgimento del gen-set. Di conseguenza, qualsiasi guasto o percorso di corrente involontario tra il telaio e un conduttore di fase causerà la disconnessione della presa. Quando il cablaggio dei locali è collegato al gruppo elettrogeno, il neutro diventa effettivamente messo a terra quando i conduttori neutri sono collegati.

Se il servizio è 480/277V, trifase, a 4 fili, collegato a stella – e il gruppo elettrogeno è installato in modo permanente – è possibile eliminare la necessità di commutazione del neutro. Se si limita tale servizio a meno di 833kVA, è possibile collegare solidamente il neutro del gruppo al neutro di servizio – il ponticello di collegamento tra il neutro del quadro di servizio principale e il bus di terra mette a terra il neutro di servizio.