Circuito di ritorno

In tutte le elettrificazioni ferroviarie, le rotaie del normale binario vengono utilizzate per costituire uno dei conduttori del circuito che alimenta i mezzi di trazione dalle sottostazioni. In rari casi avviene il contrario, come nella linea 1 della metropolitana di Milano dove si utilizzano per il circuito di alimentazione una terza ed una quarta rotaia isolate. Nella maggior parte dei casi, in corrente continua il circuito costituito dalle rotaie di corsa del binario è collegato al polo negativo delle sottostazioni di alimentazioni: questo implica che sia denominato circuito di ritorno. È evidente che il circuito costituito dalle rotaie debba avere la minor resistenza possibile per ridurre le cadute di potenziale e le correnti che tendono ad abbandonare le rotaie per immettersi nel terreno.

Per avere la minor resistenza possibile, occorre possedere lunghe rotaie saldate, in questo modo si eliminano i contributi non indifferenti dovuti alle giunzioni. In caso non fosse possibile la saldatura, si impiegano delle connessioni longitudinali in trecciolina di rame, saldate in corrispondenza di ogni giunzione, direttamente sulla parte esterna dei due funghi affacciati (cioè la parte superiore di una rotaia). Tuttavia, il valore di resistenza è superiore rispetto a quello di due rotaie completamente saldate: le norme FS prescrivono che la resistenza di una connessione saldata, misurata sulla rotaia nell’immediata vicinanza dei suoi punti di attacco, non deve essere superiore a quella di un tratto lungo tre metri di una rotaia dello stesso tipo di quella su cui la connessione è applicata.

Bisogna ricordare inoltre che nelle linee più moderne il binario non viene utilizzato elettricamente solo come circuito di ritorno, ma anche come parte del circuito di

binario utilizzato negli impianti di sicurezza e di isolamento: ciò permette di avere un

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Si possono riscontrare tre diversi tipi di circuito di ritorno [8], rappresentati nella figura 118 e classificati dalle FS come:

- tipo 1: quando si è in presenza di circuiti di binario che possiedano entrambe le rotaie isolate: la continuità viene in tal caso stabilita attraverso delle connessioni induttive. Per quanto riguarda il circuito di ritorno, le connessioni longitudinali, utilizzate in assenza di lunghe rotaie saldate, vanno applicate alle giunzioni di tutte e due le rotaie con l’unica eccezione di quelle in corrispondenza delle connessioni induttive;

- tipo 2: quando si è in presenza di circuiti di binario con una sola rotaia isolata: sarà proprio essa a costituire il circuito di ritorno ed alle sue giunzioni andranno applicate le connessioni saldate;

- tipo 3: quando si è in assenza di circuiti di binario: in tal caso le connessioni saldate vanno applicate alle giunzioni di entrambe le rotaie. Eccezioni sono i binari dei fasci e parchi merci, ai quali, se passanti, si possono applicare le giunzioni ad una sola fuga di rotaie.

Figura 118: esempi di circuito di ritorno: a) tipo 1 b) tipo 2 c) tipo 3 [8]

Comunque, tanto in piena linea quanto nelle stazioni le rotaie, anche dei diversi binari, vengono collegate elettricamente tra di loro ogni qual volta non vi siano circuiti di binario che lo impediscano. In particolare, in piena linea, con un circuito di ritorno di tipo 3, vengono collegate con un tondo di ferro ogni 180 metri tanto le rotaie dello stesso binario quanto, con un collegamento intercalato ai precedenti, quelle che

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fiancheggiano gli interbinari nelle linee con più binari. Nelle linee con circuito di ritorno di tipo 2, si collegano sempre ogni 180 metri solo le rotaie non isolate dei binari paralleli, mentre non viene effettuato alcun collegamento tra le rotaie nelle linee con circuito di ritorno di tipo 1. Nelle stazioni, i collegamenti trasversali tra

funghi di rotaie non isolate vengono eseguiti ogni quattro campate circa di condutture

di contatto, di norma con trefolo di ferro zincato [8].

Si riprende ora il discorso sulle correnti che sfuggono dal binario: bisogna ricordare che le rotaie non risultano mai elettricamente isolate dal terreno, ciò fa sì che tra un treno in movimento e le sottostazioni che lo alimentano si stabiliscano due circuiti in parallelo: le rotaie ed il terreno. La resistenza di quest’ultimo è notoriamente bassissima, di conseguenza una quota parte della corrente, tanto maggiore quanto minori sono la resistenza del circuito di ritorno e la resistenza tra la rotaia ed il terreno, rientra nella sottostazione tramite il terreno invece che tramite le rotaie. Più precisamente, dato che il negativo delle sottostazioni è collegato alle rotaie e non al terreno, si verifica un’uscita della corrente dalle rotaie in vicinanza del treno, mentre in vicinanza delle sottostazioni le correnti rientrano nelle rotaie per raggiungere il negativo delle sottostazioni stesse. Nel loro percorso lungo il terreno, queste correnti, dette anche disperse o vaganti, si incanalano in via preferenziale in ogni elemento di bassa resistenza parallelo alla linea ferroviaria e quindi nei tubi metallici interrati, nelle guaine metalliche dei cavi elettrici, nelle armature di opere in cemento armato, ecc.

Questo scenario dà luogo a fenomeni di corrosione elettrolitica, che possono essere vistosi in corrispondenza di tutti i punti di un corpo metallico da cui la corrente esce per passare nel terreno. Si possono avere così delle corrosioni nelle suole delle rotaie (ovvero la parte inferiore appoggiata su un terreno o su una superficie), specialmente in galleria od in zone comunque umide, nelle tratte in cui le rotaie siano abbandonate dalla corrente, così come si hanno frequentemente delle corrosioni nelle strutture metalliche nei punti in cui esse sono abbandonate dalle correnti che rientrano nelle rotaie, specialmente in vicinanza delle sottostazioni.

In presenza di importanti strutture metalliche, parallele e vicine ad una linea elettrificata in corrente continua (grosse tubazioni, cavi elettrici, armature di opere in cemento armato, della stessa ferrovia o di altre utilizzazioni), si ricorre come si è già potuto vedere nei capitoli precedenti a protezioni che possono essere passive, cioè costituite da rivestimenti isolanti, oppure attive, dette anche catodiche, consistenti in un’opportuna alimentazione ausiliaria idonea a modificare il potenziale tra strutture e terreno.

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Un altro circuito molto importante in un’elettrificazione ferroviaria è quello che viene chiamato circuito di terra. Bisogna ricordare che per qualsiasi impianto non a bassissima tensione si prescrive la richiesta di collegare direttamente alla terra, con un collegamento a resistenza molto bassa, qualsiasi parte metallica che possa essere toccata da una persona e che possa andare in tensione in caso di cedimento dell’isolamento: in questo modo si riduce praticamente a zero il potenziale che potrebbe, investendo una persona, provocare il passaggio di una corrente pericolosa. In un impianto esteso si realizza così un circuito di terra (figura 119) che collega a terra mediante opportuni dispersori tutte le parti metalliche che si trovano nelle condizioni elencate in precedenza.

Figura 119: gestione dei collegamenti delle masse col terreno [19]

Facendo riferimento ad un impianto di elettrificazione ferroviaria, è facile constatare la presenza di numerose parti metalliche che possono trovarsi nelle condizioni elencate precedentemente; si possono citare per esempio: pali di sostegno, opere d’arte metalliche, recinzioni, reti di protezione, sbarre di passaggi a livello, ecc. Si può osservare come le rotaie di un binario ferroviario abbiano una resistenza notevolmente bassa rispetto al terreno: si possono riscontrare valori di circa un

Siemens al chilometro. Per soddisfare la norma antinfortunistica basterebbe collegare

le parti in discussione alla più vicina rotaia, con l’aggiunta eventuale di un certo alla tensione nominale

e, in zona di rispetto TE, in A

Protezione mediante doppio isolamento in B

e/o doppio isolamento Protezione mediante

A

B

d.d.p. isolamento adeguato

togliere i collegamenti di terra

a sovratensioni provenienti da rete a fulminazioni dirette

a differenze di potenziale (d.d.p.) tra gli impianti di terra

NO

NO

SI

separazione elettrica

della linea di contatto

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numero di dispersori infissi nel terreno per abbassare la resistenza del circuito di ritorno rispetto alla terra. Tale sistema permetterebbe inoltre il notevole vantaggio di ridurre al minimo la resistenza del corto circuito provocato dal cedimento dell’isolamento, facilitando così l’intervento degli interruttori extrarapidi di linea delle sottostazioni adiacenti. Per molti anni è stato applicato questo semplice sistema: nelle FS, ad esempio, tutti i pali in piena linea erano collegati tra di loro con un trefolo di guardia, detto anche corda di terra, in ferro zincato, inoltre un palo ogni tre veniva collegato alla più vicina rotaia con un tondo di ferro 0.12 ed ogni palo ogni 500 metri veniva collegato ad un paletto di terra, con funzione di dispersore, salvo aggiungerne altri quando la resistenza del circuito di terra non scendeva rispetto al terreno di almeno 5 Ω. L’inconveniente del sistema era quello i facilitare la presenza di correnti disperse dal circuito di ritorno e di concentrarle in alcuni punti del tutto inopportuni. Ad esempio, si poteva notare la corrosione dei paletti dispersori, a cui seguiva quella nelle opere metalliche collegate, nei punti lontani dalle sottostazioni in cui la rotaia è positiva rispetto al terreno. Con l’estendersi del blocco automatico inoltre, nascevano complicazioni conseguenti all’impossibilità di collegare direttamente i pali alle rotaie [8].

Si è posto rimedio a tutti questi inconvenienti realizzando un circuito di terra separato da quello si ritorno, ma collegato con esso attraverso valvole di tensione o diodi che garantiscono l’isolamento in condizioni normali e che, in caso di perforazione, mettono i due circuiti in collegamento non appena la tensione del circuito di terra assuma un certo valore rispetto a quello di ritorno, a causa del cedimento di qualche isolatore o per un contatto accidentale della parte metallica protetta con un conduttore in tensione. Come si può notare dalla figura 120, Il collegamento tra i due circuiti comporta anche l’intervento degli interruttori delle sottostazioni. Bisogna ovviamente controllare periodicamente l’integrità delle valvole di tensione.

Le norme FS prescrivono per la piena linea, intesa come tratta tra i portali interni di due stazioni limitrofe, la seguente conformazione per il circuito di terra [8]:

- collegamento tra tutti i sostegni con due corde di alluminio di 125 mm2_;

- in caso di conduttori di contatto con sezione di rame non superiore a 320 mm2

in linee a doppio binario, si potrà montare una sola corda per ciascuna palificazione, pari o dispari;

- le corde menzionate vanno sezionate con un apposito isolatore ogni 3000 metri circa;

- nelle linee a doppio binario le corde delle palificazioni pari e dispari vanno collegate elettricamente tra di loro con un collegamento aereo passante al di

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sopra delle linee di contatto, tanto alle estremità quanto in mezzeria delle tratte di 3000 metri;

- tutti i pali vanno collegati ad un dispersore, ma se ciò non fosse sufficiente a realizzare per una tratta di 3000 metri una resistenza rispetto al terreno superiore a 2 Ω, allora si dovrà aggiungere a metà tratta una terra profonda; - ogni estremità di tratta di 3000 metri, eventualmente del lato pari o dispari in

caso di linee a doppio binario, va collegata tramite una valvola di tensione alle due rotaie del binario più vicine, ovvero al centro della più vicina connessione

induttiva, se la linea è a blocco automatico a circuiti di binario;

- in nessun caso il circuito di terra dovrà realizzare collegamenti elettrici tra i centri di due coppie di connessioni induttive consecutive.

Figura 120: circuito di relazione del blocco automatico e circuito di terra di protezione TE [21]