Trasformatore a zig-zag o trasformatore a stella con messa a terra: quale scegliere?

I moderni sistemi di alimentazione necessitano di stabilità e sicurezza. Molti impianti trifase, comeCollegamenti Deltao alcune uscite dei generatori non hanno un punto neutro naturale, il che crea un sistema non messo a terra.

Far funzionare un sistema non messo a terra è rischioso. Quando si verifica un guasto tra linea e terra, la mancanza di un percorso di guasto chiaro può causare seri problemi.

I principali rischi dei sistemi non messi a terra includono:

Sovratensioni transitorie che sollecitano e danneggiano l'isolamento delle apparecchiature.

Difficoltà nell'individuare e localizzare le faglie del terreno, il che ne consente la persistenza.

Aumento dei rischi per la sicurezza del personale a causa delle tensioni di contatto imprevedibili.

La soluzione consiste nel creare un neutro artificiale utilizzando un trasformatore di messa a terra.

Questo articolo confronta i due metodi principali: il trasformatore di messa a terra a zig-zag specializzato e il trasformatore a stella convenzionale con messa a terra.

Comprensione del trasformatore a zig-zag

Che cos'è un trasformatore a zig-zag?

Un trasformatore a zig-zag è un'unità speciale progettata per fornire un percorso di messa a terra per un sistema trifase non messo a terra. Viene anche comunemente chiamato trasformatore di terra a zig-zag.

La sua caratteristica distintiva è un'esclusiva configurazione di avvolgimenti a stella interconnessi che funziona in modo molto diverso dai trasformatori di potenza standard.

Come funziona

L'idea fondamentale alla base di un trasformatore a zig-zag è il suo comportamento di impedenza. Offre un'impedenza molto bassa alle correnti di sequenza zero, ovvero le correnti di guasto, mentre offre un'impedenza elevata alle correnti di sequenza positiva e negativa, che sono le normali correnti di funzionamento.

Ciò consente alla corrente di guasto di fluire in sicurezza verso terra. Uno schema di messa a terra di un trasformatore mostra chiaramente come ogni avvolgimento di fase è suddiviso e collegato attraverso diversi rami del nucleo, il che appare molto diverso da un semplice schema a triangolo o a stella.principi fondamentali dei trasformatori di messa a terrasono fondamentali per il loro buon funzionamento.

In condizioni normali, una corrente molto debole attraversa l'unità a zig-zag. Durante un guasto a terra, le correnti di sequenza zero in ciascun avvolgimento si sommano, creando un percorso a bassa impedenza verso il neutro e la terra.

Principali vantaggi della messa a terra

La progettazione di un trasformatore a zig-zag offre diversi vantaggi evidenti nelle applicazioni di messa a terra.

Rapporto costi-efficacia:Quando non è necessario un carico secondario, un trasformatore a zig-zag di solito costa meno rispetto all'installazione di un trasformatore stella-triangolo completo solo per la messa a terra.
Ingombro ridotto:A parità di capacità di messa a terra, il design a zig-zag è più piccolo e leggero, il che facilita l'installazione in spazi ristretti.
Attenuazione delle armoniche:La configurazione dell'avvolgimento intrappola naturalmente le armoniche terzine, come la 3a, la 9a e la 15a. Ciò avviene perché la disposizione dell'avvolgimento annulla i flussi della 3a armonica, migliorando la qualità complessiva dell'energia.

Comprensione dell'alternativa a Y con messa a terra

L'alternativa a un'unità zig-zag specializzata è quella di prelevare il neutro dall'avvolgimento collegato a stella di un trasformatore di potenza standard. Questo viene generalmente fatto in uno dei due modi seguenti.

Innanzitutto, se un sistema è già dotato di un trasformatore di potenza Delta-Stella, il neutro lato Stella può essere utilizzato per la messa a terra del sistema.

In secondo luogo, è possibile installare un trasformatore stella-triangolo dedicato al solo scopo di creare un punto neutro con messa a terra.

Questo approccio è comune nelle nuove installazioni o sottostazioni ed è anche visto incomune nelle topologie BESS a grigliaper i sistemi di energia rinnovabile. A differenza di un trasformatore a zig-zag, il compito principale di queste unità è spesso la trasformazione della tensione, mentre la messa a terra è uno scopo secondario ma comunque importante.

Confronto tra Zig-Zag e Wye-Delta

La scelta tra un trasformatore a zig-zag e una soluzione a stella con messa a terra richiede una chiara comprensione delle esigenze del progetto, del budget e dei limiti di spazio. La scelta migliore dipende dall'applicazione specifica.

Questa tabella fornisce un confronto diretto tra i due approcci.

Caratteristica	Trasformatore di messa a terra a zig-zag	Trasformatore di messa a terra stella-triangolo
Funzione primaria	Messa a terra dedicata	Può fornire alimentazione ausiliaria + messa a terra
Impedenza di sequenza zero	Molto basso (per scelta progettuale)	Basso, ma dipende dal design complessivo
Costo	Più conveniente per la sola messa a terra	Costo iniziale più elevato, ma duplice scopo
Dimensioni fisiche/Ingombro	Più compatto a parità di potenza nominale in kVA.	Più grande e più pesante
Efficienza	Altamente efficiente (perdite minime del nucleo in modalità standby)	Maggiori perdite a vuoto
Mitigazione delle armoniche	Sopprime intrinsecamente la terza armonica	Non sopprime intrinsecamente le armoniche
Installazione	Più semplice (meno boccole, meno connessioni)	Più complesso, soprattutto se si alimenta il carico
Caso d'uso ideale	Ammodernamento della messa a terra sui sistemi Delta; impianti di energia rinnovabile	Nuove sottostazioni dove è necessaria anche l'alimentazione ausiliaria

Un quadro decisionale pratico

Nella nostra esperienza, la scelta tra un trasformatore a zig-zag e un trasformatore a stella con messa a terra si riduce spesso a tre scenari comuni.

Scenario 1: Ammodernamento

Quando si aggiunge la messa a terra a un sistema Delta esistente non dotato di messa a terra, il trasformatore a zig-zag è quasi sempre la scelta migliore. Le sue dimensioni ridotte, il costo inferiore per un'applicazione specifica e la semplicità di installazione ne facilitano l'integrazione nell'infrastruttura esistente senza modifiche sostanziali.

Scenario 2: Nuova struttura

Per una nuova sottostazione o impianto che necessita anche di alimentazione elettrica di servizio per elementi come illuminazione, climatizzazione e sistemi di controllo, un trasformatore stella-triangolo può risultare più conveniente.

Utilizzando il secondario con collegamento a stella sia per la messa a terra che per l'alimentazione di carichi aggiuntivi, si combinano due funzioni in un unico apparecchio, il che può ridurre i costi complessivi e risparmiare spazio.

Ciò si allinea con molti standardschemi di messa a terra e protezione del sistema.

Scenario 3: Armoniche superiori

Nei sistemi con molti carichi non lineari, come azionamenti a frequenza variabile o inverter, il trasformatore di messa a terra a zig-zag offre un netto vantaggio. La sua capacità intrinseca di ridurre le armoniche triple migliora la qualità dell'energia e riduce il riscaldamento armonico in altre apparecchiature.

Ciò lo rende una scelta preferenziale per i progetti di energia rinnovabile e gli impianti industriali moderni, dove il suoruolo cruciale nelle moderne reti elettricheè ampiamente riconosciuto.

Conclusione: la scelta giusta

La scelta tra un trasformatore a zig-zag e una soluzione a stella con messa a terra è una decisione ingegneristica importante. I trasformatori a zig-zag offrono una soluzione mirata ed estremamente efficiente per la messa a terra dedicata, mentre i trasformatori con collegamento a stella sono più flessibili quando è necessaria anche la trasformazione di tensione.

In definitiva, la scelta del trasformatore di messa a terra più adatto rappresenta un investimento fondamentale per la sicurezza del sistema, la protezione delle apparecchiature e l'affidabilità del funzionamento. Che il vostro progetto richieda le prestazioni specifiche di un trasformatore a zig-zag o una soluzione a stella con messa a terra rigida, è essenziale affidarsi a un produttore esperto.