Metodi di protezione delle linee di contatto

Le linee di contatto si trovano esposte a pericoli di sovratensioni e di sovracorrenti; per il primo caso si utilizzano come protezioni gli scaricatori o le funi di guardia. Particolare cura deve essere posta al secondo fenomeno dato che può provocare danni notevoli alle linee ed ai mezzi di trazione presenti nell’impianto. La protezione delle linee di contatto viene ottenuta inserendo degli interruttori automatici di massima corrente all’uscita delle sottostazioni: essi devono sopportare il carico massimo richiesto dai treni ed aprirsi prontamente in caso di guasto a bordo dei mezzi di trazione o sulle linee. Per rendersi conto del problema della selezione tra correnti massime di esercizio e minime di guasto, si può considerare un caso applicato in passato di alimentazione da entrambi gli estremi di due sottostazioni distanziate tra di loro di 40 km della tratta intermedia di una linea di contatto. In prossimità di una

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sottostazione, in presenza di un cortocircuito di resistenza nulla, si verificava sul corrispondente interruttore automatico una corrente di valore tale da provocarne sicuramente lo scatto. Dopo di ciò la linea, e quindi il guasto, restavano alimentati dall’interruttore della sottostazione adiacente: considerando una resistenza unitaria tra linea di contatto e binario di 0.08 Ω/km, il secondo interruttore alimentava il cortocircuito attraverso una resistenza di (40 km*0.08 Ω/km)=3.2 Ω, tale da dar luogo ad una corrente di (3400 V/3.2 Ω)=circa 1000 A, dello stesso ordine se non inferiore di quella che poteva essere richiesta dai treni alla sottostazione di alimentazione considerata in determinate condizioni di esercizio [8]. Quindi, attraverso questa analisi, si può constatare come l’entità del problema sia connessa con il più o meno generoso dimensionamento dell’impianto agli effetti del contenimento delle massime cadute di potenziale ammesse in esercizio.

Considerando infatti due impianti, entrambi con le linee di contatto alimentate da entrambi gli estremi, rispettivamente dimensionati per cadute massime di potenziale del 20 e del 10%, si avranno nei due casi:

∆𝑉′ 𝑉 = 𝑟′𝐿′𝐼_𝑚𝑎𝑥′ 4𝑉 = 0.2 ∆𝑉′′ 𝑉 = 𝑟′′𝐿′′𝐼′′ 4𝑉 mentre le rispettive correnti di cortocircuito varranno:

𝐼_𝑐𝑐′ = 𝑉 𝑟′_𝐿′ 𝐼𝑐𝑐 ′′ ₌ 𝑉 𝑟′′_𝐿′′ da cui si deriva: 𝐼_𝑚𝑎𝑥′ 𝐼_𝑐𝑐′ = 0.8 𝐼_𝑚𝑎𝑥′′ 𝐼_𝑐𝑐′′ = 0.4

con un evidente vantaggio del secondo impianto, agli effetti della selezione tra i due tipi di corrente.

La selezione dei guasti si basa non solo sul valore dell’intensità di corrente, ma anche sul gradiente di accrescimento di una corrente di cortocircuito rispetto ad una corrente richiesta dai treni, anche se vi possono essere scatti intempestivi in conseguenza dell’aumento di potenza singola dei locomotori. Nei pressi di una sottostazione, un’eccessiva richiesta di carico da parte di un treno può provocare l’intervento di un dispositivo di sezionamento, avendo gli stessi effetti di un cortocircuito. A partire dagli anni ‘50, si è fatto ricorso ad un sistema di sezionamento automatico intermedio tra sottostazioni contigue, con apertura comandata o da relè di minima tensione o da relè di massima corrente.

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Nel caso di un comando a minima tensione sulla linea di contatto, verificato un cortocircuito tale da provocare lo scatto nella sottostazione più vicina, il dispositivo si fonda sul principio che il potenziale tra il cortocircuito stesso e la sottostazione più lontana non può assumere che un valore variabile linearmente tra “quasi” zero al cortocircuito e la piena tensione alla sottostazione che continua ad alimentarlo. A metà tratta, dove è montato il dispositivo automatico, la tensione avrà un valore talmente basso, al massimo la metà del normale, da rilevare con sicurezza un guasto r con un abbassamento di potenziale dovuto al carico dei treni. In tal modo si possono tarare i relè di minima tensione del dispositivo affinché comandino l’apertura dell’interruttore una volta raggiunto quel valore, isolando così il guasto.

Gli interruttori a massima corrente invece sfruttano il principio che, essendo installati a metà tratta, dovranno lasciar passar in esercizio le sole correnti che oltrepassino la mezzeria tra le due sottostazioni, cioè quelle con un valore minore di quello di taratura degli interruttori delle sottostazioni. In caso di cortocircuito, il dispositivo riesce a distinguere entrambe le correnti, essendo più elevato il rapporto tra di esse. Tra i due sistemi il primo ebbe una maggiore applicazione, lasciando maggiore libertà nella scelta del punto di applicazione e rendendo possibile anche la richiusura automatica al ritorno della situazione normale.

Spesso risulta più difficile il problema della selezione tra corrente di guasto e corrente di esercizio in presenza di un parallelo tra le linee di contatto in c.c. non solo tra le sottostazioni adiacenti, ma anche a metà tratta, tra binario pari e binario dispari. Per risolvere questo problema, si consideri un cortocircuito ed il conseguente scatto dell’interruttore che lo alimenta dalla sottostazione più vicina, resteranno perciò ben tre interruttori che continueranno ad alimentarlo, dividendosi il carico complessivo. La corrente interessante ciascuno di essi resterà certamente inferiore alla taratura necessaria per garantire i carichi di esercizio. Realizzando il parallelo intermedio con quattro sezionatori automatici, si riesce a risolvere il problema. I quattro sezionatori, talvolta interruttori automatici montati in apposita cabina, sono non solo amperometrici ma anche direzionali e perciò sensibili solo a correnti in uscita dal punto di parallelo. Il sistema risulta così selettivo, in quanto, in caso di cortocircuito, si apre il solo interruttore che lo alimenta direttamente, mentre gli altri rimangono chiusi. Sfruttando la maggiore disponibilità di coppie nel cavo telefonico aziendale disposto lungo tutto il tracciato di una linea, si è cominciato ad utilizzare l’asservimento tra i due interruttori che alimentano la stessa tratta rispettivamente da entrambe le sottostazioni adiacenti ad essa. Le FS assumono per il calcolo di taratura delle protezioni una tensione d’arco di – 400V ed una resistenza di guasto di 0.15 Ω.

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