Le correnti di dispersione
di: Massimo Mitolo
fonte: 'Elettricoplus'
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29.07.2009
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Per trazione elettrica si intende l’utilizzo di motori elettrici su mezzi di trasporto su rotaia che si muovono su percorsi predeterminati sia in ambito cittadino (tram, metropolitane, filobus, eccetera) che in ambito ferroviario piu’ esteso.
Il tipico sistema di trazione elettrica (Traction Electrification System) comprende le sottostazioni di alimentazione della linea ferroviaria, con le relative protezioni, le linee di contatto, i veicoli e la rotaia (vedi figura 1).
Le sottostazioni sono normalmente alimentate dalla rete ad alta tensione del Distributore. La linea di contatto, che fornisce il polo positivo dell’alimentazione in corrente continua alla motrice , può essere costituita da un sistema a pantografo (Overhead Contact System) o dalla terza rotaia. Il circuito di ritorno (polo negativo) è di solito il binario , il che offre il notevole vantaggio di non richiedere un conduttore dedicato per la chisura del circuito.
Gli svantaggi di questa organizzazione circuitale consistono nella comparsa di un potenziale sul binario e nella circolazione, causata da difetti di isolamento verso terra del binario stesso, di una corrente vagante nel terreno circostante (Stray Current). In altre parole, malgrado il binario sia intenzionalmente mantenuto a potenziale flottante, un accoppiamento parassita con la terra e’ inevitabile.
Questa componente continua di dispersione può imporre fenomeni corrosivi sui corpi da cui fuorisce: il binario e le eventuali strutture metalliche interrate attraversate lungo il suo percorso di ritorno (tubazioni, ferri di fondazione, eccetera) .
Quest’articolo illustra la problematica delle correnti vaganti unidirezionali.
La corrosione elettrolitica
La conduzione elettrica in un mezzo metallico è di tipo elettronico, mentre in un elettrolita, come il terreno o l’acqua di mare , è di tipo ionico. Ciò significa che quando la corrente abbandona il binario, per disperdersi nel terreno, si realizza un trasferimento di elettroni che crea gli ioni di conduzione. Avviene, cioè un fenomeno chimico di ossidazione la cui manifestazione, visibile nel tempo, è la corrosione elettrolitica.
Per inciso, la corrosione normalmente avviene solo quando la corrente esce dal metallo e non quando vi entra. La corrososione catodica, anche detta corrosione negativa, è prodotta, invece, da correnti entranti in un metallo e può avvenire solo in particolari condizioni dell’elettrolita.
Quando la corrente ritorna nel binario vi è il processo opposto, detto di riduzione, che “consuma” gli elettroni prodotti, ma non permette, a causa di vincoli termodinamici, l’accumulo del materiale ferroso asportato.
Le correnti vaganti danneggiano, quindi, sia il binario sia gli eventuali elementi metallici interrati nelle vicinanze, per esempio oleodotti o gasdotti, producendo, in casi estremi, e quando non sono protetti catodicamente, la loro rottura. Anche gli impianti di terra delle stazioni, necessari per mettere a terra masse e masse estranee secondo la norma Cei 64-8 nei sistemi TT, possono subire danni da corrosione.
In figura 2 la corrente continua dispersa rientra nel binario e corrode la tubazione ed i ferri di fondazione di una struttura, dopo aver corroso i binari stessi nei punti di uscita.
(vedi figura 2)
Tali danni si possono estendere anche agli elementi intenzionalmente connessi al circuito di ritorno. La norma Cei EN 50122-1 prescrive, infatti, al paragrafo 4.2.4.1, che si debbano collegare al binario le parti metalliche (recinzioni, griglie di protezioni su cavalcavia, pensiline, pali della luce...) che possano essere energizzate dal collasso della linea di contatto o, anche dal pantografo sviato, se in tensione. A tal proposito la norma individua un volume di rispetto sotteso dalla linea di contatto e dal pantografo nel quale tutte le parti metalliche presenti sono da considerarsi a probabile rischio di energizzazione .
Tali elementi metallici in assenza del collegamento al binario, assumerebbero una tensione pericolosa in funzione della loro resistenza verso terra (vedi figura 3) e gli interruttori di protezione della linea di trazione avrebbero più difficoltà ad intervenire.
La connessione al binario, imponendo un partitore di corrente alla corrente di guasto, previene, o contiene a bassi valori, la sua circolazione attraverso la resistenza di terra della massa, riducendo, cosi’, la tensione di contatto a vuoto.
Tale connessione, pero’, sebbene funzionale per la sicurezza, mette, di fatto, a terra il binario, facilitando la circolazione di stray current.
Un’alternativa alla precedente connessione franca, permessa dalla norma al paragrafo 5.2.2.2, è il collegamento tramite un diodo (vedi figura 4).
In assenza di guasti nell’impianto di treno, il diodo si comporta come un circuito aperto (polarizzazione inversa dovuta al potenziale negativo delle rotaie). Cio’ garantisce che il binario non sia intenzionalmente messo a terra in condizioni ordinarie. In caso di guasto (crollo della linea di contatto sul palo di illuminazione) il diodo è polarizzato direttamente e consente il collegamento straordinario dell’impianto di terra della massa con quello di binario. La corrente di guasto può, così, essere interrotta in tempi modesti nel rispetto dei limiti di sicurezza.
In passato la presenza di correnti vaganti negli impianti ferroviari non era sempre percepita come un problema, ma era, anzi, incoraggiata. Nel 1969 alcuni studi in Usa incoraggiavano a non isolare da terra il binario per consentire alla corrente di treno di ritornare alla sorgente anche attraverso il terreno e qualunque percorso metallico che ne incrementasse la conduttività.
Giova ricordare che nei sistemi ferroviari elettrici in corrente alternata (in Germania) la corrosione è quasi del tutto inesistente.
Il modello e le correnti vaganti
Una componente di dispersione a terra è in pratica inevitabile quando il sistema ferroviario utilizza il binario non solo come mezzo di supporto meccanico al moto del treno, ma anche come circuito di ritorno della corrente continua di trazione.
Il binario singolo, infatti, offre un valore di resistenza longitudinale dell’ordine di 40-80 mΩ/km, mentre la sua resistenza trasversale (cioè verso terra) è, tipicamente, dell’ordine di 2-100 O/km. La resistenza verso terra può ridursi ulteriormente a causa della forte umidità presente nei tratti in galleria, anche in presenza della massicciata di pietrisco.
Parte della corrente di ritorno, quindi, “gocciola” verso terra e circola anche attraverso eventuali manufatti metallici interrati nelle vicinanze, quale via preferenziale verso il terminale negativo della sorgente.
Per meglio comprendere il sistema di trazione elettrica e schematizzare gli elementi che influenzano l’entità della corrente vagante, si consideri il modello di figura 5.
IT rappresenta la corrente di lavoro del treno, ID la corrente di dispersione in uscita dal binario, RBG la resistenza binario-terra ed RSG la resistenza binario-terra alla sorgente, entrambe causate da connessioni non intenzionali, ma dovute ai problemi di isolamento verso terra. Questo modello assume che non via sia alcuna connessione fra la linea di contatto e la terra, cioè si ipotizza che la resistenza verso terra del conduttore positivo sia infinita.
In prossimità del punto di dispersione RBG il potenziale subisce un innalzamento, mentre nel punto di ingresso alla sottostazione, di resistenza verso terra RSG, si avrà il suo abbassamento, a causa dei campi elettrici che si formano attorno a questi dispersori non intenzionali.
Si assume, inoltre, che la corrente di treno, necessaria ad operare il locomotore per ogni fissata condizione di accelerazione e velocità, sia potenza-dipendente.
Ciò significa che il locomotore è modellabile come un carico a potenza costante: ad una minore tensione applicata corrisponde una conseguente maggiore corrente assorbita, al fine di mantenere costante la potenza utilizzata.
Man mano che il veicolo si allontana dalla sottostazione che lo alimenta, aumenta la caduta di tensione sul circuito di treno, a causa dell’aumento della sua resistenza, e si abbassa la tensione applicata alla motrice. La corrente di lavoro del treno, quindi, aumenta conseguentemente, e con essa la corrente di dispersione verso il terreno. Ciò produce una maggiore caduta di tensione sul binario, ed un ulteriore conseguente aumento della corrente dispersa a causa della maggiore sollecitazione della resistenza binario-terra. Si innesca, cioè, un circolo vizioso (per esempio retroazione positiva) che esalta le correnti di dispersione.
Protezione contro le correnti vaganti
In condizioni ideali, l’abbattimento delle correnti vaganti, si potrebbe ottenere, posizionando le sottostazioni in prossimità dei punti in cui il veicolo ferroviario richiede la massima corrente assorbita durante la marcia. Ciò comporterebbe, però, un aumento nel numero delle sottostazioni stesse, con le ovvie difficoltà economico-logistiche. Attualmente, si tende a non superare la distanza di 15-25 km fra le sottostazioni alimentanti percorsi a forte traffico ferroviario. Distanze minori sarebbero economicamente insostenibili.
La protezione passiva delle parti interrate più economicamente rilevanti, oleodotti o gasdotti, nelle vicinanze delle sottostazioni, si effettua tramite il loro isolamento elettrico.
I condotti sono rivestiti, in fabbrica, con del nastro adesivo in polietilene estruso a bassa densità, dello spessore minimo di 3 mm ed un rivestimento interno in vernice epossidica. Eventuali giunti di saldatura vengono rivestiti con fasce termorestringenti.
La protezione passiva è costosa ed è soggetta alla possibilità di perforazione/corrosione accidentale degli isolanti.
La protezione attiva (catodica) viene realizzata imprimendo delle correnti continue di verso opposto a quella vagante con apparecchiature poste lungo il percorso del condotto interrato. Il metallo diviene elettricamente più negativo rispetto all'elettrolita circostante (terreno, acqua, eccetera). La protezione attiva è realizzata contemporaneamente alla posa della tubatura. Purtroppo un malfunzionamento del sistema di protezione catodica può diventare la causa di corrosione per la tubatura che vuole proteggere.
Contenimento delle correnti di dispersione
In fase progettuale è opportuno valutare l’intensità totale della corrente vagante in uscita dal binario a valori che non provochino danni alle sopraelencate strutture.
Qualora l’ammontare sia giudicato eccessivo, provvedimenti per controllarne il percorso nel terreno devono essere adottati, quali, per esempio, sistemi di raccolta costituiti da cavi
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