Concerns with Faults to Ground in Wind and Solar Power Plants Implanted in Tropical Areas – The Influence of Underground Cables on the Methods of Neutral Grounding

Nelle latitudini calde e soleggiate dove le centrali eoliche e solari del mondo si stanno espandendo rapidamente, gli ingegneri affrontano un problema silenzioso ma ostinato, nascosto sotto il suolo. Questi impianti elettrici si affidano a vaste reti di cavi interrati per trasportare l'elettricità dai singoli aerogeneratori o pannelli solari verso un punto di raccolta centrale. Sebbene l'interramento dei cavi li protegga dalle tempeste e mantenga il paesaggio libero, esso modifica la natura elettrica del sistema in un modo che i cavi aerei non presentano. I cavi interrati agiscono come una gigantesca spugna invisibile per la carica elettrica, immagazzinando una quantità significativa di energia tra il conduttore metallico e la terra. Quando si verifica un guasto — come un cavo che accidentalmente tocca il terreno — questa energia immagazzinata si sprigiona, creando una corrente che si comporta in modo molto diverso da quanto gli ingegneri addestrati sulle tradizionali linee aeree si aspettino. Se i sistemi di protezione, che sono essenzialmente gli interruttori e i sensori progettati per interrompere l'alimentazione durante un disastro, non vengono regolati per questo picco nascosto, possono non agire quando necessario o, peggio ancora, scattare inutilmente, spegnendo un impianto sano.

Un team di ricercatori brasiliani e tedeschi si è posto l'obiettivo di risolvere questo enigma esaminando guasti reali in impianti eolici e solari nelle regioni tropicali. Si sono concentrati su una decisione critica presa durante la progettazione di questi impianti: come collegare a terra il centro del trasformatore principale. Questo collegamento, noto come messa a terra, determina come il sistema gestisce un singolo cavo che tocca la terra. I ricercatori hanno analizzato tre incidenti specifici, realmente accaduti, in cui i sistemi di protezione hanno malfunzionato, utilizzando registrazioni dettagliate di tensione e corrente per capire esattamente cosa fosse andato storto. La loro indagine ha rivelato che la combinazione di lunghi cavi interrati e la scelta del metodo di messa a terra crea un equilibrio delicato che viene facilmente alterato. In alcuni casi, il sistema è così sensibile che un guasto su una linea causa lo spegnimento di una linea vicina perfettamente funzionante. In altri, l'interazione tra l'energia immagazzinata nel cavo e l'apparecchiatura di messa a terra crea vibrazioni elettriche che confondono i sensori, portandoli a ignorare un pericolo reale.

Lo studio evidenzia che la soluzione più comune, che prevede il collegamento diretto del centro del trasformatore alla terra, è spesso troppo rischiosa per queste lunghe reti interrate perché permette alla corrente di guasto di diventare pericolosamente alta, rischiando di fondere le schermature metalliche protettive attorno ai cavi. Invece, gli ingegneri scelgono solitamente una delle due alternative: inseriscono un resistore per rallentare il flusso di elettricità verso terra, oppure utilizzano un tipo speciale di trasformatore, chiamato trasformatore zig-zag, per creare un percorso per la corrente. I ricercatori hanno scoperto che, sebbene il resistore sia generalmente la scelta più affidabile, può essere utilizzato solo se il trasformatore possiede un punto centrale accessibile. Quando questo punto è nascosto, il trasformatore zig-zag diventa l'unica opzione, ma porta con sé le proprie sfide.

In uno dei casi studiati, si è verificato un guasto su un cavo specifico, ma il sistema di protezione per quel cavo non è scattato. Al contrario, il sistema di un cavo vicino, completamente sano, si è spento. Le registrazioni hanno mostrato che la carica elettrica immagazzinata nei cavi dell'intero impianto si è precipitata verso il guasto, creando una corrente abbastanza forte da attivare l'interruttore sbagliato. In un altro caso, il sistema utilizzava un trasformatore zig-zag e il guasto ha creato un mix caotico di onde elettriche che includeva frequenze nascoste. Queste frequenze hanno confuso i sensori di sicurezza, che erano programmati per ignorare schemi simili causati dalle normali correnti di avvio, portando il sistema a ritenere il guasto innocuo e fallendo nell'interrompere l'alimentazione. Questo fallimento ha permesso al guasto di persistere finché un sistema di backup non è intervenuto, ma solo dopo che la tensione era diventata instabile.

I ricercatori hanno anche scoperto che il modo in cui il sistema si riprende dopo che un guasto è stato eliminato dipende fortemente dal metodo di messa a terra. Quando viene utilizzato un trasformatore zig-zag, il rilascio improvviso dell'energia immagazzinata nei cavi può causare picchi di tensione selvaggi e distorti, un fenomeno noto come ferorisonanza. Questo picco può raggiungere livelli tali da danneggiare apparecchiature costose come i limitatori di sovratensione. Al contrario, quando viene utilizzato un resistore, la tensione si stabilizza in modo fluido e prevedibile una volta rimosso il guasto. Per confermare queste scoperte, il team ha costruito un modello digitale dell'impianto elettrico e ha simulato i guasti. Le simulazioni al computer hanno corrisposto perfettamente alle registrazioni del mondo reale, mostrando che il resistore manteneva costantemente le correnti e le tensioni entro limiti sicuri, mentre il trasformatore zig-zag portava spesso a picchi imprevedibili e cancellazioni di corrente che rendevano il guasto più difficile da rilevare.

La conclusione definitiva è che non esiste una soluzione unica e perfetta che funzioni per ogni impianto, ma la scelta del metodo di messa a terra è il fattore decisivo per determinare se il sistema di protezione funzionerà correttamente. Il resistore è il metodo preferito perché fornisce un ambiente stabile per i dispositivi di protezione, ma richiede un tipo specifico di trasformatore. Quando ciò non è possibile, il trasformatore zig-zag può essere utilizzato, ma richiede una calibrazione molto più attenta dei sensori di sicurezza per evitare la confusione causata dalle armoniche elettriche e dai picchi di tensione. I ricercatori sottolineano che, poiché questi cavi interrati sono così comuni nei moderni progetti di energia rinnovabile, gli ingegneri non possono più fare affidamento sulle vecchie regole empiriche. Invece, devono utilizzare strumenti informatici avanzati per simulare le condizioni specifiche del proprio sito, assicurandosi che le impostazioni di protezione siano tarate sul comportamento unico dei cavi sottoterra. Questa preparazione accurata è l'unico modo per garantire che, quando si verifica un guasto, il sistema reagisca esattamente come previsto, mantenendo accese le luci e garantendo la sicurezza delle apparecchiature.