Le Armoniche e i suoi effetti

inserito il: 27.06.2008
tratto da 'Elettricoplus'

Per poter comprendere a fondo i contenuti tecnici di questo articolo è necessario padroneggiare in maniera "forte" due definizioni base.

Il conduttore di neutro
Il neutro è un conduttore, caratterizzato dalla colorazione azzurro o blu chiaro ed collegato al punto a potenziale zero del sistema elettrico (generalmente il centro stella del secondario della macchina trasformatrice).
Questo conduttore è collegato a terra, in modo da fornire un riferimento a valore zero della tensione del sistema.
Il conduttore di neutro nei sistemi polifase con neutro distribuito, partecipa anch'esso attivamente alla trasmissione dell'energia elettrica.
Se il sistema è simmetrico ed equilibrato, il conduttore di neutro non è percorso da alcuna corrente e il suo potenziale corrisponde al baricentro del triangolo equilatero delle tensioni.
Se invece il sistema è simmetrico, ma non è equilibrato, il potenziale del neutro si sposta dal baricentro del triangolo, in misura tanto maggiore quanto maggiore è lo squilibrio.

L'armonica
Si definisce armonica una grandezza sinusoidale di frequenza multipla di una grandezza sinusoidale (fondamentale)
L'ordine dell'armonica è il rapporto tra la sua frequenza e quella della fondamentale; ad esempio: se la fondamentale è pari a 50 Hz l'armonica di quinto grado, o quinta armonica, ha una frequenza pari a 250 Hz.
La somma della grandezza fondamentale e delle armoniche dà luogo ad una funzione risultante periodica, ma non sinusoidale (forma d'onda distorta).
I generatori sincroni rotanti, forniscono una tensione perfettamente sinusoidale alla frequenza di 50 Hz; però, non sempre la corrente che fluisce nel carico è sinusoidale.
La corrente non è sinusoidale quando il carico presenta una caratteristica di impedenza variabile durante il periodo T (pari a 20 ms alla frequenza di 50 Hz); ovvero quando la caratteristica tensione/corrente del carico non è lineare.
In questi casi definisce che il carico (utilizzatore elettrico) ha caratteristiche di non linearità.
Attenzione: la presenza di armoniche influisce su tutti i fenomeni legati all'aumento di frequenza.

I problemi che insorgono
Se si leggono attentamente le definizioni, appare chiaro che il problema delle armoniche sul neutro appare solo in particolari condizioni, ovvero:
• in presenza di carichi non equilibrati;
• in presenza di carichi non lineari.
Queste condizioni, negli impianti industriali, si verificano già da tempo, ed ora si stanno manifestando, in maniera molto più eclatante, anche negli impianti di distribuzione, del settore terziario.
Questa proliferazione di correnti armoniche sul conduttore di neutro è principalmente dovuta al fatto che nel settore terziario (banche, uffici, alberghi, ospedali, ecc...) la distribuzione dorsale avviene con linee trifasi da cui vengono derivati carichi monofasi che, singolarmente, provvedono ad aumentare lo squilibrio del sistema elettrico, (alimentazione di impianti di illuminazione, prese per apparecchiature elettroniche, ecc...).

Scarica in PDF le tabelle relative all'articolo

Il neutro viene quindi percorso da una corrente, il cui valore, dovendo rispondere ai principi di Kirchhoff, ai nodi, è uguale alla somma vettoriale delle correnti di linea (con il collegamento a stella, le correnti di linea coincidono con le correnti di fase).
Inoltre, sono in notevole aumento gli apparecchi con caratteristica tensione/corrente non lineare, come ad esempio:
• i raddrizzatori per la carica batterie,
• le saldatrici,
• le celle elettrolitiche,
• gli inverter,
• gli avviatori elettronici,
• gruppi statici di continuità (Ups)
• gli azionamenti di motori a frequenza variabile,
• computer, fotocopiatrici, stampanti, eccetera;
• apparecchiature elettromedicali e di diagnostica (RX, Tac, Rmn eccetera);
• gli alimentatori elettronici a commutazione (switching);
• le lampade a scarica (tubi fluorescenti, lampade al sodio, a vapori di mercurio, eccetera).
Appare chiaro che oramai di questi componenti e apparecchiature i nostri impianti ne sono pieni, per cui dobbiamo imparare a conviverci, scegliendo le protezioni corrette e dimensionando i circuiti e le protezioni in maniera idonea.

Tensione e corrente
Tensione e corrente sono elementi presenti e non disgiunti nel funzionamento ordinario di un impianto elettrico; quando questi due parametri sono caratterizzati da andamento perfettamente sinusoidale, non ci sono problemi.
Invece in presenza di carichi non lineari e quindi di armoniche con conseguente distorsione delle forme d'onda, le cose mutano radicalmente.
Una corrente non sinusoidale, provoca - nel circuito che percorre - cadute di tensione distorte; cosi che anche la tensione, in quel punto del circuito, diventa distorta.
La distorsione della tensione cresce, quindi, con la caduta di tensione, cioè con la distanza dal trasformatore e con l'aumento dell'impedenza della linea.
In sintesi, la distorsione della tensione in un punto della rete elettrica è tanto minore quanto maggiore è la corrente (potenza) di cortocircuito in quel punto.
Più mi allontano dal punto di fornitura, (o dal trasformatore) maggiore è la distorsione che troverò.
Attenzione: una tensione distorta provoca armoniche anche sui carichi lineari, per effetto del collegamento parallelo.

Armoniche mie o tue?
La presenza di armoniche può essere di origine interna all'impianto utilizzatore o di origine esterna, oppure il disturbo può essere generato e importato contemporaneamente, con un concorso di colpe, tra utente ed ente distributore.
La rete elettrica perturbata può essere quella dell'ente distributore dell'energia, contaminata dai disturbi generati da altri utenti produttori di armoniche e propagarsi sulla rete interna del cliente, oppure l'impianto elettrico stesso può essere elemento generante di disturbi.
Generalmente in presenza di disturbi è opportuno valutare preventivamente, se si è la vittima di armoniche altrui, oppure si è autoproduttori di disturbi e perturbazioni di rete.

Valutare se provengono dalla rete di distribuzione è relativamente facile e difficile allo stesso tempo, si tratta di disalimentare e disaccoppiare dalla rete, tutti i carichi elettrici interni, ed eseguire la misura con l'analizzatore di rete, collegato ai soli morsetti di consegna dell'utente, subito a valle del contatore di energia stesso.
Per utenti in bassa tensione, questa misura è realizzabile semplicemente, risulta molto più complessa la valutazione delle armoniche provenienti dall'ente distributore, per utenti in media e alta tensione.

Utilizzare un analizzatore di rete nell'impianto
Ritrovarsi nell'analisi di rete una forma d'onda distorta è sintomo della presenza di armoniche.
L'analizzatore di rete come strumento, è in grado di registrare la forma d'onda (che ha caratteristiche di periodicità) e, attraverso l'analisi di Fourier, è in grado di scomporre la risultante in una serie di funzioni sinusoidali.
L'analizzatore di rete è l'unico strumento che può rivelarci la qualità dei parametri della nostra rete elettrica, non solo in termini di peak, valley, spike, eccetera, ma soprattutto in termini di armoniche.
Allo strumento sono richieste tre caratteristiche fondamentali:
• ampio spettro di lettura;
• buona risoluzione delle singole armoniche;
• visualizzazione grafica della forma d'onda.

Attenzione alle misure delle correnti, con strumenti di misura, che non leggono il vero valore efficace della corrente (True Rms), gli strumenti che non effettuano questa lettura, forniscono, in presenza di armoniche, valori completamente distorti e non attendibili della reale circolazione di corrente sui conduttori.

Dimensionamento e protezione del conduttore di neutro
In un sistema trifase collegato a stella, la corrente nel conduttore di neutro è, pari alla somma delle tre correnti di linea.
In un sistema trifase di correnti simmetriche equilibrate, sfasate di 1/3 di periodo, la somma delle correnti è in ogni istante pari a zero e quindi la corrente di neutro risulta nulla.
Nella maggior parte dei sistemi trifase di potenza, che alimentano carichi monofasi, si manifestano invece, correnti di fase non equilibrate, che conducono a correnti di neutro generalmente di valore modesto.
Si presentano invece, condizioni in cui i carichi, anche perfettamente equilibrati, possono dare una rilevante corrente nel neutro; come nel caso della presenza di correnti di carico non sinusoidali, la somma delle tre correnti di fase anche se di pari valore efficace, non è infatti necessariamente pari a zero.
Per esempio correnti equilibrate con forma d'onda quadra, daranno come risultato una significativa corrente di neutro.

Il "modus operandi" consolidato
Nei circuiti trifase quando la sezione dei conduttori di fase è minore o uguale a 16 mm2 se in rame o a 25 mm2 se in alluminio, il conduttore di neutro (identificato con colore blu chiaro) deve avere la stessa sezione dei conduttori di fase (CEI 64-8).
Nei circuiti trifase con conduttori di rame con sezione superiore a 16 mm2 se in rame o a 25 mmq se in alluminio il conduttore di neutro può avere una sezione inferiore a quella dei conduttori di fase, con un minimo di 16 mm2 o 25 mm2, se i carichi sono sostanzialmente equilibrati.

In questo caso è necessario utilizzare un interruttore di protezione con il polo del neutro dotato di sganciatore sul polo del neutro con corrente inferiore a quella delle fasi (esistono in commercio interruttori magnetotermici di tipo industriale con relè di protezione sul quarto polo (neutro) con correnti di taratura pari a 0, 5 IN).
Questo modo di agire oramai consolidato, vale e continua a valere se non si è in presenza di armoniche o in condizioni di forte squilibrio.

Una nuovo approccio
Se invece i carichi non sono equilibrati o/e se i carichi producono correnti armoniche apprezzabili, per caratteristica di non linearità dei componenti stessi; il neutro deve essere considerato come conduttore attivo, soggetto a passaggio di corrente e deve avere una sezione uguale o maggiore rispetto a quella dei conduttori di fase (Cei 64-8).
Questo vale anche nel caso di carichi equilibrati ma con presenza di armoniche, in questa condizione, il neutro potrebbe essere caricato anche più dei conduttori di fase.

La varianza della portata del cavo
la presenza di armoniche di corrente rappresenta un problema rilevante che origina condizioni di sovraccarico sia sui conduttori di fase sia sull'eventuale conduttore di neutro. Infatti l'aumento delle perdite per effetto pelle, nei conduttori, dovuto alla presenza di armoniche, e all'aumento della frequenza di funzionamento, comporta la riduzione delle portate ammissibili dei conduttori.
Il problema è maggiormente rilevante per i casi di sezione più elevata, dove sono proporzionalmente maggiori le perdite per effetto pelle.
Generalmente per i conduttori percorsi da corrente alternata il rapporto tra la resistenza in corrente alternata e la resistenza in continua dipende dalla forma geometrica del conduttore stesso e dalla radice quadrata del valore della frequenza.
L'aumento della componente resistiva, e della componente reattiva dell'impedenza, dovuto alla maggiore frequenza delle correnti armoniche di carico rispetto a quella di rete, possono condurre ad un aumento sensibile, delle cadute di tensione sugli stessi cavi che non possono essere più calcolate semplicemente sulla base dei parametri indicati nella letteratura scientifica, ma devono essere accuratamente valutate considerando il contenuto armonico della corrente.
Nel conduttore di neutro, le armoniche di indice tre (la terza, la sesta, la nona...) contenute nelle correnti, si sommano aritmeticamente invece di cancellarsi, dal momento che la loro frequenza è tre volte la frequenza fondamentale e sono sfasate nel tempo di 1/3 di periodo rispetto al periodo della fondamentale di rete pari a 50 Hz.
In questo caso si definisce che le correnti sono tra loro in fase (componenti omopolari).
In tali condizioni la generazione di calore all'interno del cavo per effetto Joule risulta evidentemente maggiore rispetto alle condizioni ideali e la portata della conduttura deve essere declassata, anche senza considerare che i conduttori di neutro, possono anche essere sovraccaricati senza che la corrente di neutro possa superare la corrente di fase nominale proprio per effetto delle componenti armoniche.
L'ampiezza della corrente di neutro dovuta alla terza armonica potrebbe superare in ampiezza la corrente di fase alla frequenza di rete.
In tal caso la corrente di neutro dovrebbe essere considerata ai fini del dimensionamento dei cavi del circuito.

Gli accorgimenti progettuali e installativi
Il problema è quello di dimensionare correttamente la sezione del conduttore di neutro in relazione alla corrente che lo attraverserà in esercizio, non potendo più applicare le semplici considerazioni, dettate dalla norma Cei 64-8 e riassunte nella tabella per la scelta della sezione.
L'approccio più semplice per la soluzione del problema risulta essere quello di applicare opportuni coefficienti correttivi alla portata dei cavi, tenendo conto che anche la corrente che circola sul conduttore di neutro debba essere presa in considerazione nel calcolo della portata del cavo.
Il metodo più diretto per procedere risulta quello del dimensionamento indipendente del conduttore di neutro nei confronti dei fenomeni di cui sopra, tenendo però in conto che la posizione relativa, come anzi ricordato, ha effetto sia sul riscaldamento che sull'impedenza presentata alle diverse armoniche.
Attenzione particolare deve infine essere riservata ai cavi armati o dotati di schermo metallico per i quali può non risultare trascurabile anche il contributo offerto dalla circolazione delle armoniche di corrente nello stesso schermo o armatura.
Pur non essendo possibile determinare la corrente di neutro in fase progettuale, se non conoscendo la forma d'onda reale o teorica delle correnti di carico circolanti sul neutro stesso, in prima approssimazione si possono utilizzare i seguenti coefficienti di maggiorazione pari a:
• 1, 61 volte la corrente di fase nel caso di carichi costituiti da computer;
• 1, 73 volte la corrente di fase nelle condizioni peggiori con raddrizzatori con angoli di conduzione pilotati e pari a 60°.