Neutro (elettrotecnica)

Il neutro è un conduttore elettrico che in un impianto elettrico a corrente alternata serve da ritorno per le correnti in arrivo dai conduttori di fase.

Nel contesto di un sistema elettrico, quando la corrente fluisce da una sorgente di alimentazione (ad esempio, una presa elettrica) attraverso un dispositivo elettrico (come una lampadina o un elettrodomestico) e quindi ritorna alla sorgente, fornisce il ritorno della corrente al punto di origine.

In un sistema monofase la corrente di neutro è pari a quella di fase, mentre in un sistema trifase essa è pari alla somma delle correnti di fase: se il sistema è simmetrico ed equilibrato, la corrente di neutro è nulla.^[1]

A livello internazionale il cavo del neutro è identificato dalla norma IEC 60445 con il colore blu chiaro (bianco o grigio negli Stati Uniti d'America e nero negli altri paesi anglosassoni^[2]).

Per verificare quale conduttore sia la fase e quale il neutro, in un sistema monofase, è possibile utilizzare un cacciavite cercafase in alternativa al multimetro.

Descrizione

Sistema trifase con neutro

Il sistema trifase a stella con neutro è costituito da tre fasi $1$ , $2$ e $3$ che si congiungono nei nodi $O$ e $O'$ , collegati tra loro dal neutro $N$ . La prima fase del sistema, analogamente alle altre due, è percorsa da una corrente ${\overline {I}}_{1}$ ed è caratterizzata da una tensione di alimentazione ${\overline {E}}_{1}$ e un'impedenza ${\overline {Z}}_{1}$ su cui si determina una caduta di tensione ${\overline {V}}_{1O'}$ . Essendo il neutro un conduttore a impedenza nulla, in quanto rappresentato da un cortocircuito, si determina tra i centri stella del sistema una tensione nulla ${\overline {V}}_{OO'}=0$ . Il neutro è però percorso da una corrente ${\overline {I}}_{N}$ , data, per la prima legge di Kirchhoff, dalla somma delle correnti di fase:

{\overline {I}}_{N}={\overline {I}}_{1}+{\overline {I}}_{2}+{\overline {I}}_{3}

Essendo la tensione sul neutro nulla, è possibile determinare la corrente di fase come ${\overline {I}}_{1}={\tfrac {{\overline {E}}_{1}}{{\overline {Z}}_{1}}}$ .

La corrente di neutro diventa quindi:

{\overline {I}}_{N}={\frac {{\overline {E}}_{1}}{{\overline {Z}}_{1}}}+{\frac {{\overline {E}}_{2}}{{\overline {Z}}_{2}}}+{\frac {{\overline {E}}_{3}}{{\overline {Z}}_{3}}}

Sistema simmetrico ed equilibrato

Il sistema trifase si dice simmetrico se le tre tensioni di alimentazione hanno lo stesso modulo e sono sfasate tra loro di ${\tfrac {2}{3}}\pi$ , così da essere simmetriche. Definito l'operatore $\alpha =e^{j{\frac {2}{3}}\pi }$ di modulo unitario $|\alpha |=1$ e di argomento $\angle \alpha ={\tfrac {2}{3}}\pi$ , scegliendo come riferimento la tensione di alimentazione ${\overline {E}}_{1}$ , è possibile definire una terna simmetrica con ${\overline {E}}_{2}=\alpha {\overline {E}}_{1}$ ed ${\overline {E}}_{3}=\alpha ^{2}{\overline {E}}_{1}$ . In un sistema trifase simmetrico la corrente di neutro corrisponde quindi a:

{\overline {I}}_{N}={\frac {{\overline {E}}_{1}}{{\overline {Z}}_{1}}}+{\frac {\alpha {\overline {E}}_{1}}{{\overline {Z}}_{2}}}+{\frac {\alpha ^{2}{\overline {E}}_{1}}{{\overline {Z}}_{3}}}

Se il sistema è anche equilibrato, ovvero ${\overline {Z}}_{1}={\overline {Z}}_{2}={\overline {Z}}_{3}$ , considerando che $1+\alpha +\alpha ^{2}=0$ , si ha che la corrente di neutro si annulla:

{\overline {I}}_{N}={{\overline {E}}_{1} \over {\overline {Z}}_{1}}(1+\alpha +\alpha ^{2})=0

Il neutro nei sistemi elettrici

Le connessioni del neutro e del collegamento di terra si identificano in accordo alle seguenti codifiche:

TT
TN-C
TN-S
TN-C-S
IT

La prima lettera fa riferimento allo stato di messa a terra del neutro:

T = Neutro collegato direttamente a terra (o con impedenza trascurabile);
I = Neutro isolato da terra.

La seconda lettera fa riferimento allo stato di messa a terra delle masse:

T = La massa è collegata direttamente a terra (con impianto di terra separato);
N = La massa è collegata direttamente al punto neutro del sistema, generalmente il centro stella del trasformatore dove c'è il neutro collegato direttamente a terra.

Le altre lettere si riferiscono alla disposizione del conduttore neutro e del conduttore di protezione:

S = Per la funzione di protezione è previsto un conduttore separato dal conduttore neutro;
C = Funzioni di conduttore neutro e di protezione sono combinati nello stesso conduttore.

Riassumendo si possono avere tre configurazioni in riferimento al neutro:

neutro a terra mediante impedenza
neutro efficacemente a terra
neutro isolato.

Caratteristiche del neutro nelle varie reti

In alta tensione (220 kV ÷ 380 kV) il neutro non è distribuito ed è collegato efficacemente a terra in ogni condizione della rete.

Nelle trasmissioni a 120 kV ÷ 150 kV il neutro non è distribuito ed è collegato a terra ma non in ogni condizione della rete.

Le linee in media tensione (10 kV ÷ 35 kV) hanno varie modalità di esercizio:

neutro messo a terra con resistenza (utilizzato in qualche realtà industriale)
neutro compensato
neutro isolato.

Gli ultimi due casi si hanno in particolare nelle reti pubbliche.

In bassa tensione (230 V ÷ 400 V) il neutro è sempre distribuito salvo alcuni casi particolari (vecchie reti cittadine con distribuzione fase/fase 230V, impianti industriali con distribuzione solo trifase).

A causa di guasti ricorrenti sulle linee di media tensione e della possibilità di avere elevate correnti di guasto, gli enti distributori stanno provvedendo a modificare lo stato del neutro da isolato a compensato. Le caratteristiche tecniche e le modalità operative per realizzare questo cambio di stato sono specificate da una regola tecnica conosciuta come DK5600, rilasciata nel marzo 2004.

Riduzione del conduttore neutro

In tutti i sistemi trifase il nodo è rappresentato dal centro stella del trasformatore. In un sistema trifase equilibrato, quindi, la corrente circolante è teoricamente nulla. Nella realtà la corrente non sarà esattamente pari a zero ma i suoi valori saranno comunque significativamente inferiori rispetto alla corrente circolante nei conduttori di fase. Per questo motivo la norma CEI 64-8 permette di fissare la sezione del conduttore del neutro ad un valore pari alla metà della sezione utilizzata per la fase, per i valori di sezione dai 16 mm² in su.

Saranno inoltre osservate le seguenti condizioni:

assumendo che il carico sulle fasi sia equilibrato, la massima corrente prevedibile nel servizio regolare non dovrà superare la portata di corrente della sezione ridotta del conduttore neutro; nel calcolo di tale corrente massima si deve anche tener conto delle armoniche superiori del conduttore neutro;
il conduttore neutro dovrà essere protetto, per corto circuito, dall'organo di protezione dei conduttori polari secondo lo schema TN o TT.

Corrente nel neutro con utilizzo di apparati elettronici

La crescente diffusione di alimentatori elettronici, iniziata negli anni '90, spesso ha portato alla produzione di disturbi della frequenza di rete sotto forma di armoniche multiple. I coefficienti dipendono dalle tecnologie costruttive del singolo alimentatore; per una rete con frequenza a 50 Hz, sono molto diffuse armoniche a 150 Hz, 250 Hz, 450 Hz, 750 Hz ecc. Le armoniche di terzo ordine si sommano sul conduttore neutro, creando una situazione che può condurre a un sovraccarico del conduttore neutro stesso, portando anche ad un suo riscaldamento. In tali condizioni, non si può procedere a ridurre la sezione del conduttore neutro perché provocherebbe un rischio di incendio. Pertanto, le alimentazioni a valle degli UPS con carichi elettronici e informatici, dovranno essere dimensionate considerando la possibile presenza del contenuto armonico.

Nel calcolo $I^{2}t\leq K^{2}S^{2}$ (vedi nota^[3]), la I deve contenere anche la ∑ delle I relative alle armoniche. In questi casi, quindi, il neutro dovrà avere almeno la stessa sezione della fase.

In alcuni casi (forte contenuto di armoniche di terzo ordine), la corrente circolante nel conduttore neutro potrà essere superiore alla corrente di fase e di conseguenza, si potrà arrivare a un sovradimensionamento del conduttore neutro pari a 1,5 volte la sezione dei conduttori di fase.

Note

^ Faletti, Chizzolini, pp. 17-18.
^ Fino al 31 marzo 2004
^ Si tratta del secondo criterio di coordinamento cavo - dispositivo di protezione contro i cortocircuiti: I²t è l'integrale di Joule della corrente di cortocircuito; K è una costante che dipende dal materiale del conduttore e dell'isolante del cavo; S è la sezione del conduttore.

Bibliografia

Noverino Faletti e Paolo Chizzolini, Trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica, vol. 1, Bologna, Pàtron editore, 2004, ISBN 88-555-2776-2.
Commissione elettrotecnica internazionale, Norme Internazionali IEC 60445 (PDF), 2010, ISBN 978-2-88912-166-3.
Marco Cappelli e Bruno Stortoni, Elettrotecnica ed elettronica, vol. 1, Arnodo Mondadori, 2004, ISBN 978-88-247-2227-8.

Voci correlate

Collegamenti esterni

Neutro, in Treccani.it – Enciclopedie on line, Roma, Istituto dell'Enciclopedia Italiana. URL consultato il 13 luglio 2022.
Sulla Bobina Petersen, su electroportal.net. URL consultato il 2 luglio 2022 (archiviato il 1º dicembre 2020).

Controllo di autorità	GND (DE) 7548508-4

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[1] Faletti, Chizzolini, pp. 17-18.

[2] Fino al 31 marzo 2004

[3] Si tratta del secondo criterio di coordinamento cavo - dispositivo di protezione contro i cortocircuiti: I²t è l'integrale di Joule della corrente di cortocircuito; K è una costante che dipende dal materiale del conduttore e dell'isolante del cavo; S è la sezione del conduttore.

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