61 Capitolo 4 – Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 4.1 Introduzione Nel presente capitolo si prendono in esame le modalità di esercizio e di funzionamento dei gruppi elettrogeni nei confronti della rete di distribuzione dell’energia elettrica. L’intento è quello di fornire una visione globale delle varie applicazioni impiantistiche, evitando di trattare minuziosamente alcuni argomenti che richiederebbero, per la loro complessità, uno spazio a sé stante. Il capitolo, quindi, è strutturato con paragrafi dedicati laddove la complessità dell’argomento non consente una trattazione comune, mentre alcune tematiche sono tra loro integrate, così da rendere più snella l’esposizione e, nello stesso tempo, più efficace la comprensione. A supporto del lettore, sono riportate figure e tabelle che sintetizzano quanto testualmente descritto nel capitolo. 4.2 Protezione del gruppo elettrogeno Il gruppo elettrogeno, durante il suo funzionamento, deve essere protetto da eventuali avarie che si possono manifestare nel motore e nel generatore. Le prime sono quasi esclusivamente di natura meccanica, mentre le seconde sono di tipo elettrico. A loro, indipendentemente dalla natura, sono associate delle protezioni che intervengono con una modalità dipendente dalla gravità, cioè possono determinare il blocco del sistema, oppure attivare solo una segnalazione di allarme. Al blocco fanno riferimento le avarie che comportano grave pericolo per le persone o per la stessa macchina; alle segnalazioni di allarme, invece, sono associate le avarie che consentono alla macchina di operare comunque, ma che, a lungo andare, possono trasformarsi in guasti pericolosi per le persone e per lo stesso gruppo elettrogeno. 4.2.1 Protezioni del motore Le principali protezioni del motore sono riassunte nella Tabella 4.1, non costituendo, comunque, un limite per le diverse applicazioni. Altre protezioni possono essere previste ed applicate, sempre tenendo conto delle indicazioni del costruttore del motore. Infatti, in alcuni casi, come ad esempio nei motori di ultima generazione, risulta controproducente gestire un sistema di protezione separatamente da quello gestito dalla Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 62 stessa apparecchiatura di controllo dell’iniezione, poiché si potrebbero generare degli interventi intempestivi e, quindi, dannosi per il gruppo elettrogeno. Modalità intervento Protezione Descrizione Sovravelocità B Avaria del regolatore di giri o del sistema di iniezione Bassa pressione olio B Avaria del sistema di lubrificazione Basso livello olio A-B Olio consumato Alta temperatura olio A-B Sovraccarico motore o avaria del sistema di lubrificazione Alta temperatura acqua A-B Sovraccarico motore o avaria del sistema di raffreddamento Basso livello acqua radiatore A-B Acqua di raffreddamento esaurita A-B Combustibile esaurito 1 Basso livello combustibile Bassa tensione batteria di avviamento 2 Bassa pressione aria avviamento Alta temperatura gas di scarico A Batterie scariche A Aria insufficiente nel serbatoio o avaria compressore A-B Sovraccarico motore o avaria sistema di scarico gas A = allarme; B = blocco Note: 1 Per motori alimentati a combustibile liquido (benzina o gasolio) 2 Per motori dotati di avviamento ad aria compressa Tabella 4.1 Principali protezioni dei motori 4.2.2 Protezioni del generatore Le principali protezioni del generatore sono riassunte nella Tabella 4.2, non costituendo, comunque, un limite per le diverse applicazioni. Codice ANSI Protezione Note Richiesto CEI 11-20 Massima corrente 50 - 51 Sovraccarico o corto circuito Sempre Min/Max tensione 27 - 59 Avaria del sistema di regolazione della tensione o carico anomalo Sempre Min/Max frequenza 81 >< Avaria del sistema di regolazione di giri o carico anomalo Guasto a terra statore 59N o 64G Avaria avvolgimenti statorici Sempre > 500 kVA Guasto a terra rotore 64R Avaria avvolgimenti rotorici > 1500 kVA Corrente differenziale generatore 87G Avaria avvolgimenti statorici > 1500 kVA 49 Avaria avvolgimenti statorici > 500 kVA Massima temperatura avvolgimenti Direzionale potenza attiva 32 o 67 Guasto a terra o errato parallelo Sempre1 Perdita eccitazione 40 Avaria sistema di eccitazione > 500 kVA2 Mancata sincronizzazione 25 Sincronizzazione errata Opzionale1 Interruttore chiuso a gruppo elettrogeno fermo o non a regime > 1500 kVA Mancata apertura macchina interruttore di Note: 1 Solo per g.e. in parallelo con la rete 2 Solo per g.e. in parallelo con la rete in servizio continuo Tabella 4.2 Principali protezioni dei generatori La protezione di massima corrente viene effettuata solitamente con l’interruttore di macchina. Infatti, il costruttore del gruppo elettrogeno, come dispositivo di macchina, fornisce un interruttore automatico magnetotermico, i cui sganciatori provvedono ad assolvere la protezione contro il Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 63 sovraccarico ed il corto circuito. La scelta e la relativa taratura delle correnti di intervento viene effettuata a seconda del tipo di servizio del gruppo elettrogeno (COP, PRP, LTP e ESP) e della corrente di corto circuito erogabile dal generatore. Quest’ultima è dipendente dalle reattanze di macchina, per il periodo transitorio (all’incirca 1÷1,5 secondi), mentre il valore permanente è di circa 3 volte la nominale (di solito gli alternatori sono dotati di dispositivo di sovreccitazione che consente di mantenerli eccitati anche quando la tensione ai loro morsetti si annulla). Per una valutazione sufficientemente approssimata delle correnti di corto circuito, si possono considerare i circuiti equivalenti di sequenza della Figura 4.1. V '' 3 V / ' ' jX 'dg / jX 'dg 3 Zd ' jX 'dg / jX 'dg V '' V ' / 3 3 I d'' I k'' 3 I d'' I d' I k' 3 I d' a. ' jX 'dg V '' 3 / V / jX 'dg Zd Zd jX ig ' I k'' 2 3 I k' 2 3 Zi I k'' 1 3 I' I d' k1 3 I d'' 3 jX ig Zi jX og Zo b. c. Figura 4.1 Circuiti equivalenti di sequenza per corto circuito: a. trifase; b. bifase; c. monofase. Le f.e.m. VY'' e VY' sono rispettivamente le tensioni a monte della reattanza subtransitoria e transitoria, e sono calcolabili con la relazioni: V '' V jX 'd' I 3 3 V' V jX 'd I 3 3 Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 64 dove I è la corrente che sta erogando il generatore nell’istante immediatamente precedente il corto circuito e V è la tensione concatenata del carico (nei calcoli si può assumerla pari alla nominale). Le correnti di corto circuito dei generatori sono calcolabili con le formule indicate nella Tabella 4.3 e Tabella 4.4 (si trascura la resistenza del generatore). CORTO CORRENTE SUBTRANSITORIA CIRCUITO Gruppo a vuoto I k'' 3 Trifase I k'' 2 Bifase Monofase I k'' 1 3 Vo ' jX 'dg Zd Vo jX '' dg jX ig Zd Zi 3Vo jX 'dg' jX ig jX og Z d Z i Z o Gruppo precaricato I k'' 3 Trifase I k'' 2 Bifase Monofase I 'k' 1 jX jX V '' ' 3 jX 'dg Zd V '' '' dg jX ig Zd Zi 3V '' '' dg jX ig jX og Z d Z i Z o Tabella 4.3 Calcolo delle correnti di corto circuito in regime subtransitorio Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 65 CORTO CORRENTE SUBTRANSITORIA CIRCUITO Gruppo a vuoto I k' 3 Trifase I k' 2 Bifase Monofase I k' 1 jX jX 3 Vo jX 'dg Zd Vo ' dg jX ig Zd Zi 3Vo ' dg jX ig jX og Z d Zi Z o Gruppo precaricato I k' 3 Trifase I k' 2 Bifase Monofase I k' 1 jX jX V' 3 jX 'dg Zd V' ' dg jX ig Zd Zi 3V ' ' dg jX ig jX og Zd Zi Zo Tabella 4.4 Calcolo delle correnti di corto circuito in regime transitorio Se il corto circuito avviene immediatamente a valle del generatore, le impedenze di sequenza diretta, inversa e omopolare dei circuiti collegati sono nulle, cioè: Z d Zi Z o 0 Per determinare il valore di primo picco della corrente di corto circuito, è necessario sommare alla componente sinusoidale la componente unidirezionale, il cui valore dipende dall’istante in cui ha inizio il corto circuito. Ai fini della sicurezza, si può assumere che il valore di primo picco sia: I p 2 2I k'' 2.82I k'' La corrente di corto circuito sincrona non interessa ai fini della protezione contro il corto circuito, poiché l’interruttore automatico stabilisce ed apre la corrente subtransitoria I k'' o, se ritardato, la corrente transitoria I k' . Come indicato al Capitolo 2, i generatori sono provvisti di sistema di sovreccitazione e, quindi, la corrente di corto circuito sincrona perde di significato, sostituita, nel regime permanente, da una corrente denominata corrente di corto circuito sostenuta, pari a circa 3In. Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 66 4.3 Funzionamento in isola Nel funzionamento in isola, il gruppo elettrogeno fornisce energia all’impianto quando non esiste alcun collegamento elettrico con la rete di distribuzione. I casi possono essere: gruppo elettrogeno che costituisce l’unica sorgente di alimentazione, oppure, come spesso avviene, rappresentare una sorgente di energia di emergenza. In entrambi i casi, non è permesso al gruppo elettrogeno collegarsi in parallelo alla rete, perché non sono soddisfatti i requisiti di interfacciabilità, sia a livello impiantistico sia a livello funzionale (vedi Figura 4.2). Figura 4.2 Schemi unifilari funzionamento in isola: a. unica sorgente di energia (autoproduzione); b. in emergenza con interblocco meccanico; c. in emergenza con interblocco elettrico ridondante Pertanto, nel funzionamento in emergenza, deve essere previsto un sistema che eviti in qualsiasi modo il collegamento tra il gruppo elettrogeno e la rete, cioè un sistema di commutazione. Questo può essere realizzato con dispositivi di manovra adatti sia ad interrompere le correnti normali di funzionamento, sia a sostenere le correnti di corto circuito che possono manifestarsi nell’impianto. I dispositivi possono essere contattori, interruttori di manovra-sezionatori oppure interruttori Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 67 automatici (i contattori e gli IMS devono essere coordinati con i dispositivi di protezione contro le sovracorrenti). Essi devono essere dotati di un interblocco che impedisce la loro chiusura contemporanea: questo può essere di tipo meccanico, oppure elettrico ridondante (con sganciatore a mancanza di tensione). L’interblocco elettrico ridondante con bobina di minima tensione può essere realizzato con la logica indicata nella Figura 4.3. Figura 4.3 Schema interblocco elettrico ridondante con bobina di minima tensione La commutazione rete/gruppo deve essere collocata, per quanto possibile, nelle immediate vicinanze dei quadri di distribuzione dei circuiti privilegiati. Questo consente di diminuire le perdite per effetto Joule, le cadute di tensione introdotte dalla linea di rete e, soprattutto, di ridurre le probabilità di guasto (vedi Figura 4.4). Immediatamente a valle del gruppo elettrogeno deve essere previsto l’interruttore di macchina. Esso, solitamente, è di tipo automatico e assolve la doppia funzione di protezione contro le sovracorrenti e di sezionamento della linea; come ribadito precedentemente, la taratura degli sganciatori di sovracorrente deve essere effettuata dal costruttore del gruppo elettrogeno. Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 68 Figura 4.4 Commutazione rete/gruppo: a. lontano dai quadri dei circuiti privilegiati; b. nelle immediate vicinanze dei quadri dei circuiti privilegiati (da preferire) La logica di comando e controllo del gruppo elettrogeno è svolta da apparecchiature dedicate, che gestiscono sia la protezione della macchina, sia il coordinamento delle fasi di funzionamento. Queste apparecchiature sono costituite da schede elettroniche a logica cablata o a microprocessore, e sono installate a bordo del quadro elettrico. La protezione viene effettuata interfacciando con l’apparecchiatura di controllo, dei trasduttori o dei relé (analogici, digitali o semplici on/off), che controllano ininterrottamente i valori delle grandezze citate nei paragrafi 4.2.1 e 4.2.2. Le tarature dei valori di soglia spettano all’assemblatore del gruppo elettrogeno, o sono intrinsecamente definite dai costruttori del motore primo e dell’alternatore. Alla stessa apparecchiatura di controllo è affidato il compito di gestire il funzionamento del gruppo elettrogeno, che deve avvenire secondo una precisa sequenza temporale di fasi. In Figura 4.5 è riportato un esempio del funzionamento di un gruppo elettrogeno in emergenza alla rete. Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 69 Tensione di rete Relé <V rete Tensione del gruppo elettrogeno Tensione sul carico t1 Erogazione rete t2 t BO t4 t3 Erogazione gruppo t5 t6 t t BO Erogazione rete Legenda t1 : tempo stabilizzazione della tensione di rete per evitare interventi intempestivi del gruppo elettrogeno; t2 : t3 : t4 : t5 : tempo di avviamento del gruppo elettrogeno; tempo di stabilizzazione del gruppo elettrogeno; tempo di stabilizzazione della tensione di rete per evitare commutazioni intempestive; tempo di ritardo commutazione da gruppo e rete; t6 : tempo di raffreddamento del gruppo elettrogeno; t BO : tempo di black-out del carico Figura 4.5 Diagramma della sequenza temporale delle fasi di funzionamento di un gruppo elettrogeno in emergenza Se l’utenza richiede un incremento della potenza disponibile o un aumento della continuità di servizio, si possono mettere in parallelo due o più gruppi elettrogeni fra loro. Questo consente di suddividere la potenza generata fra le macchine in servizio, aumentando di fatto la flessibilità dell’impianto. Infatti, le centrali con più gruppi elettrogeni in parallelo possono essere esercite, oltre in emergenza alla rete, come adattamento della potenza attiva disponibile alle variazioni del carico, oppure, in ridondanza per aumentare la continuità di servizio (vedi Figura 4.6). Nell’adattamento della potenza attiva si inseriscono o disinseriscono automaticamente un numero di macchine la cui somma in potenza è maggiore od uguale a quella richiesta dal carico (questo funzionamento è chiamato a richiesta di energia). In poche parole, quando il carico è fortemente variabile, si tende a seguire il suo andamento nel tempo, discretizzando la potenza totale in tanti gradini quanti sono i gruppi elettrogeni in parallelo. Infatti, nelle minime condizioni di carico, non ha senso mantenere tutti i gruppi elettrogeni in servizio, come, del resto, in tutte le Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 70 condizioni intermedie. Ovviamente, la gestione di un impianto di questo tipo non è semplice, risultando, comunque, efficace dal punto di vista energetico. Figura 4.6 Gruppi elettrogeni in parallelo in emergenza alla rete In Figura 4.7 è riportato un esempio di gestione di due gruppi in parallelo aventi medesima potenza nominale con funzionamento a richiesta di energia. Come si può notare, negli intervalli in cui la potenza attiva del carico è inferiore alla potenza di soglia Ps (soglia di chiamata), rimane in servizio un solo gruppo elettrogeno, chiamato master; quando, invece, la potenza supera la soglia Ps, viene chiamata in servizio la seconda macchina, denominata slave. Le operazioni di messa in moto del secondo gruppo elettrogeno e di parallelo con il master, richiedono un certo tempo per essere effettuate (circa 10÷15s) e, quindi, per non sovraccaricare la macchina già in funzione, si deve tarare la soglia di chiamata, affinché il tempo che impiega il carico a raggiungere la potenza nominale del master sia superiore a quella di messa in servizio dello slave. In breve, deve essere verificata la relazione: t carico t ge Ovviamente, per procedere alla taratura del valore di soglia, si deve conoscere l’andamento del carico durante il ciclo di funzionamento e il tempo di messa in servizio delle macchine. Il valore di soglia è realizzato con un relé wattmetrico ritardato, in modo da evitare interventi intempestivi Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 71 dovuti a fluttuazioni istantanee del carico. Il relé wattmetrico deve essere inserito sulla sbarra di parallelo dei gruppi elettrogeni, a monte della eventuale commutazione rete/gruppo. Il funzionamento a richiesta di energia è attuabile ed efficace negli impianti che assorbono una potenza molto variabile nel tempo e con un assorbimento di energia ad andamento ripetitivo. P PMAX Pn 2 tcarico Andamento della potenza assorbita dal carico Soglia di chiamata Ps t ge Pn1 Pmin GE1 in moto GE1+GE2 in moto GE1 in moto t Ciclo di funzionamento Figura 4.7 Funzionamento e gestione di due gruppi elettrogeni in parallelo a richiesta di energia su rete in isola Il parallelo ridondante viene previsto quando lo scopo principe è la garanzia di continuità di servizio per l’utenza. Nel parallelo ridondante sono in parallelo permanentemente due gruppi elettrogeni della stessa potenza, la cui somma è superiore al doppio della potenza richiesta dal carico: anche in caso di fermata di una macchina, è sempre garantita l’alimentazione per il carico (vedi Figura 4.8). La gestione dell’impianto è più semplice rispetto la precedente, ma risulta svantaggiosa dal punto di vista energetico e, soprattutto, economico. Infatti, la potenza disponibile è esuberante rispetto a quella richiesta, comportando, così, un funzionamento a basso rendimento e un raddoppio dei costi rispetto a quelli di un singolo gruppo elettrogeno. Ovviamente, questa applicazione trova Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 72 sua attuazione dove gli oneri di eventuali fermate e/o la sicurezza delle persone sono più rilevanti rispetto ai costi di impianto. P Pn 2 Pn1 Pn2 PMAX PMAX Pn1 Andamento della potenza assorbita dal carico Pmin Ciclo di funzionamento t Figura 4.8 Funzionamento e gestione di due gruppi elettrogeni in parallelo ridondante su rete in isola La gestione del funzionamento in parallelo è svolta da due distinte apparecchiature automatiche abbinate al regolatore di giri del motore primo (vedi Figura 4.9). La prima è il sincronizzatore: esso porta il vettore della tensione della macchina da parallelare ad avere la stessa fase e la stessa frequenza del vettore tensione presente sulla sbarra di parallelo. Il sincronizzatore agisce sul regolatore di giri del motore primo, accelerandolo o decelerandolo, affinché il vettore tensione del gruppo elettrogeno da parallelare si sovrapponga al fasore della tensione della sbarra di parallelo (i moduli delle tensioni devono essere preventivamente tarati al medesimo valore, agendo sul regolatore di tensione degli alternatori). Raggiunte le condizioni di parallelo, il sincronizzatore comanda automaticamente la chiusura dell’interruttore di sbarra. La seconda apparecchiatura, il ripartitore di carico attivo, ha la funzione di distribuire il carico attivo richiesto dall’utenza, in proporzione alla potenza attiva nominale di ogni gruppo elettrogeno in parallelo. Essa è abilitata al funzionamento solamente a sincronizzazione avvenuta, ed agisce sul regolatore di giri variando il riferimento della velocità, per aumentare o diminuire la potenza attiva erogata. Il funzionamento è isocrono, cioè a frequenza costante da zero alla potenza nominale, e si Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 73 fonda sul confronto della potenza erogata da ogni gruppo elettrogeno con la potenza totale generata dalla centrale, affinché, ad ogni condizione di carico, ogni macchina eroghi una potenza proporzionale alla sua potenza nominale. In poche parole, per N macchine in parallelo, la k-esima macchina eroga una potenza pari a: PkGE PkGE ,nom N i 1 Pcarico PiGE ,nom Ad esempio, se sono in parallelo tre gruppi elettrogeni rispettivamente della potenza di 200 kWe, 300 kWe e 500 kWe, i ripartitori di carico attivo provvedono a distribuire il carico, qualunque esso sia, per 1 1 1 sulla prima macchina, per sulla seconda macchina e per sulla terza macchina. 5 3 2 Figura 4.9 Schema semplificato di gestione e regolazione di due gruppi elettrogeni in parallelo su rete in isola Le apparecchiature di ripartizione del carico sono provviste di relé di controllo dell’inversione di potenza, in modo da verificare se vi sia uno scambio di potenza attiva tra i gruppi elettrogeni in parallelo. La taratura della soglia di intervento deve essere attentamente realizzata, poiché, essendo le macchine soggette a tolleranze di costruzione e regolazione, esiste sempre la possibilità di un piccolo palleggiamento di potenza. Per questo, una taratura a scambio nullo potrebbe provocare degli interventi intempestivi, sconnettendo delle unità dalla sbarra di parallelo. Solitamente la soglia è tarabile dallo 0.5 al 20% della potenza attiva nominale, con un tempo di intervento di qualche Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 74 secondo. L’intervento del relé di inversione di energia deve provocare l’apertura, mediante bobina a minima tensione, dell’interruttore di parallelo della relativa macchina. La ripartizione del carico reattivo avviene automaticamente in proporzione alla potenza apparente nominale di ogni gruppo elettrogeno. Per non sovraccaricare il sistema di eccitazione, l’alternatore deve essere dotato di un dispositivo di parallelo, che si interfaccia con il regolatore di tensione. A beneficio del lettore, in Appendice B, viene illustrato il suo funzionamento e la modalità di ripartizione del carico reattivo fra gruppi elettrogeni in parallelo. 4.4 Funzionamento in parallelo con la rete Il parallelo con la rete pubblica di distribuzione dell’energia elettrica è attuato: nella cogenerazione, per riversare energia in rete; per integrare la potenza della rete; per aumentare la continuità di servizio per il carico. La gestione dei gruppi elettrogeni nei confronti della rete può essere di due tipologie fra loro duali. La prima è gruppo elettrogeno ad erogazione costante con rete ad integrazione (vedi Figura 4.10 a.): questo funzionamento è utilizzato negli impianti di cogenerazione o nei casi in cui è necessario garantire una elevata continuità di servizio per il carico. Il secondo, duale al primo, è rete ad erogazione costante con gruppo elettrogeno ad integrazione (vedi Figura 4.10 b.). Questo funzionamento consente di esercire l’impianto con una elevata flessibilità, ma richiede alle macchine precise caratteristiche di prontezza e duttilità di funzionamento che, ad esempio, i motori o le turbine a gas difficilmente possono garantire. A seconda del tipo di esercizio, nei confronti della rete, sono associate diverse scelte del gruppo elettrogeno e differenti apparecchiature di gestione dell’impianto. Per l’esercizio a. della Figura 4.10, il gruppo elettrogeno deve essere dimensionato, oltre per garantire il massimo del rendimento, conformemente i dettami della Continuous Power – COP (vedi Capitolo 3 paragrafo 3.2.1). Infatti, la macchina può e/o deve funzionare (ad esempio nella cogenerazione) per un numero di ore illimitato per anno, erogando una potenza costante per il carico. Nel caso b, invece, il gruppo elettrogeno è chiamato a sopperire gli esuberi di potenza richiesti dal carico rispetto al limite di soglia della rete (di solito la potenza contrattuale). In questo caso la macchina eroga una potenza variabile con il tempo e, quindi, può essere dimensionata conformemente alla Prime Power – PRP (vedi Capitolo 3 paragrafo 3.2.1). Ovviamente, per compensare le richieste del carico, si richiede all’impianto una elevata flessibilità di esercizio e, quindi, le macchine devono essere allestite affinché siano garantite le caratteristiche di prontezza tipiche di queste applicazioni (facilità di avviamento, rapidità delle operazioni di parallelo, semplicità d’uso, elevate prestazioni dinamiche, ecc.). Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 75 Potenza totale [kW] Potenza totale [kW] t Potenza GE [kW] t Potenza GE [kW] t Potenza rete [kW] t Potenza rete [kW] a. t b. t Figura 4.10 Modalità di esercizio del parallelo con la rete: a. gruppo elettrogeno ad erogazione costante; b. rete ad erogazione costante La sincronizzazione del gruppo elettrogeno alla rete avviene con la stessa modalità descritta per il caso dei gruppi elettrogeni in parallelo in isola ed è effettuata con il sincronizzatore automatico. Esso si interfaccia con il regolatore di giri del motore primo, aumentando o diminuendo la velocità della macchina, in modo che il vettore tensione del gruppo elettrogeno si sovrapponga al vettore della tensione di rete. Ottenuta la fasatura, il dispositivo comanda automaticamente la chiusura del dispositivo di interfaccia. A sincronizzazione raggiunta, si procede con la ripartizione del carico. Il funzionamento è diverso rispetto al caso dei gruppi in isola, poiché la gestione del parallelo deve avvenire con la configurazione con statismo (in inglese droop). Infatti, il modo isocrono non è attuabile, poiché si potrebbe facilmente sovraccaricare la macchina o farla funzionare da motore (inversione di energia). Il funzionamento con statismo si realizza con la modalità descritta al Capitolo 2, paragrafo 2.2.2, in cui la variazione della potenza erogata dal gruppo elettrogeno viene effettuata dal ripartitore di carico variando il riferimento della velocità a vuoto del motore primo (vedi Figura 4.11). Per la gestione a. e b. della Figura 4.10, devono essere previste ulteriori apparecchiature di ripartizione del carico con la rete. Nel primo caso si deve utilizzare, oltre al ripartitore di carico e al sincronizzatore per ogni gruppo elettrogeno, un dispositivo che sorveglia la potenza totale erogata dalle macchine (load commander). Esso controlla e comanda, istante per istante, i ripartitori di carico delle singole unità di generazione, mantenendo costante l’erogazione dei gruppi elettrogeni; è Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 76 possibile, inoltre, tarare la potenza totale erogata dall’impianto di produzione. In poche parole, il load commander è un dispositivo che fa equivalere più gruppi elettrogeni in parallelo ad una unica macchina dotata di proprio dispositivo di ripartizione del carico, comandata con la stessa modalità di Figura 4.11. Per la gestione b. si deve aggiungere, oltre all’apparecchiatura precedente, un dispositivo che controlla e mantiene costante la potenza assorbita dalla rete (commercial power adaptor). I gruppi elettrogeni vengono gestiti come integrazione, cioè erogano la potenza eccedente il limite stabilito per la rete stessa, limite controllato, per l’appunto, dal commercial power adaptor. Questo dispositivo si interfaccia con il load commander che, a sua volta, controlla i ripartitori di carico di ogni gruppo elettrogeno, affinché venga realizzato il funzionamento voluto. La ripartizione del carico reattivo avviene automaticamente mediante una apparecchiatura denominata regolatore del fattore di potenza. A beneficio del lettore, in Appendice B, viene illustrato il suo funzionamento e la modalità di ripartizione della potenza reattiva fra i gruppi elettrogeni e la rete. 1600 Velocità [giri/min] 1580 Statismo 5% 1560 Aumento carburante 1540 1520 Rete 1500 25% di Pn 80% di Pn 1480 1460 1440 1420 1400 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Potenza attiva in % della nominale Figura 4.11 Modalità della ripartizione della potenza attiva fra gruppo elettrogeno e rete (regolazione con statismo) Il parallelo con la rete può essere effettuato sia in BT, sia in MT. Anche se, a livello concettuale non esiste differenza fra le due applicazioni, dal punto di vista normativo ed applicativo sussiste una distinzione sostanziale, richiedendo, quindi, una trattazione separata. Prima di iniziare, comunque, si forniscono alcuni concetti e definizioni comuni alle due applicazioni. Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 77 Lo schema generale di allacciamento degli impianti di autoproduzione alla rete è quello indicato alla Figura 4.12, dove si definisce: dispositivo della rete pubblica: dispositivo installato all’origine della linea del distributore di energia elettrica. Negli allacciamenti BT, corrisponde all’organo di manovra installato nella cabina MT/BT, che è costituito da un interruttore automatico magnetotermico o da un interruttore di manovra dotato di una terna di fusibili. Negli allacciamenti MT, il dispositivo è un interruttore dotato di protezione di massima corrente, di una protezione direzionale di terra e dell’apparato di richiusura automatica (DRA); dispositivo generale: dispositivo installato immediatamente a valle del punto di consegna dell’energia, cioè all’origine dell’impianto dell’autoproduttore. La sua apertura determina la totale esclusione dell’impianto autoproduttore dalla rete; dispositivo di interfaccia: dispositivo installato tra le parti di impianto dell’autoproduttore abilitata e non abilitata al funzionamento in isola. La sua apertura determina la separazione dei gruppi di produzione dalla rete di distribuzione. Su questo dispositivo devono agire tutte le protezioni di interfaccia tra la rete dell’autoproduttore e la rete commerciale; dispositivo del generatore: dispositivo installato a valle dei terminali di ciascun generatore. La sua apertura determina l’esclusione del relativo gruppo di produzione dal resto dell’impianto. L’impianto di autoproduzione deve interfacciarsi con la rete affinché siano verificate le seguenti condizioni: l’autoproduttore non deve causare perturbazioni al servizio della rete; in caso contrario il collegamento deve essere interrotto immediatamente e in maniera automatica. Pertanto, ogniqualvolta si verifica un guasto o una perturbazione sulla rete dell’autoproduttore, si deve sconnettere l’impianto, affinché non intervengano le protezioni della rete commerciale; il parallelo deve interrompersi immediatamente ad ogni mancanza della tensione di rete o quando i valori di tensione o frequenza non sono compresi entro le bande consentite. Il dispositivo a cui è demandato il compito di separare la rete commerciale dall’impianto di autoproduzione è il dispositivo di interfaccia. Su esso agisce la protezione di interfaccia che ha la funzione di evitare: che in caso di mancanza della tensione di rete, l’autoproduttore possa alimentare la rete stessa; che in caso di guasto alla rete, l’autoproduttore possa continuare ad alimentare il guasto stesso; che in caso di richiusure automatiche o manuali del dispositivo della rete, i generatori possano trovarsi in condizioni di discordanza di fase delle tensioni. Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 78 Figura 4.12 Schema di base per il collegamento di un impianto di produzione alla rete commerciale 4.4.1 Parallelo con la rete BT I generatori che possono essere messi in parallelo con la rete BT sono esclusivamente quelli non in grado di sostenere la tensione in assenza della tensione di rete. A tal proposito vengono utilizzati, anche se non frequentemente, generatori asincroni di potenza non superiore ai 50 kW. Un esempio di schema unifilare di inserzione sulla rete BT è riportato in Figura 4.13. Qualora l’impianto di autoproduzione preveda un solo generatore e non sia destinato a funzionare in isola, il dispositivo di interfaccia può coincidere con quello del generatore. La protezione di interfaccia deve comprendere almeno i relé indicati nella Tabella 4.5, tenendo conto che questi devono rispondere a precisi requisiti di misura ed intervento. Il dispositivo generale deve essere costituito da un interruttore automatico con sganciatori di massima corrente, la cui esecuzione deve soddisfare i requisiti sul sezionamento della Norma CEI 64-8. Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 79 Il dispositivo di interfaccia deve essere a sicurezza intrinseca, cioè dotato di bobina di apertura a minima tensione. La bobina deve intervenire per intervento delle protezioni, per guasto interno ai circuiti e per mancanza della alimentazione ausiliaria. Il dispositivo di interfaccia può realizzato: con un interruttore automatico con bobina di minima tensione; con un contattore con bobina di minima tensione combinato con fusibile o con un interruttore automatico con un commutatore accessoriato con bobina di apertura a minima tensione combinato con fusibile o con interruttore automatico. Il dispositivo di interfaccia, qualunque versione esso sia, deve essere asservito alle protezioni elencate nella Tabella 4.5. Figura 4.13 Schema unifilare di allacciamento alla rete BT Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 80 PROTEZIONE TEMPO DI ESECUZIONE VALORE DI TARATURA Massima tensione Tripolare 1.2 Vn 0.1 s Minima tensione Tripolare 0.8 Vn 0.15 s Massima frequenza Unipolare 50.3 Hz 0.0 s (istantaneo) Minima frequenza Unipolare 49.7 Hz 0.0 s (istantaneo) INTERVENTO Tabella 4.5 Protezioni di interfaccia Per quanto riguarda il sistema di protezione contro i contatti indiretti e la gestione del neutro si noti che: il conduttore di neutro della rete di distribuzione non può essere collegato all’impianto di terra dell’autoproduttore, poiché potrebbe assumere tensioni pericolose; durante il parallelo, il neutro dei gruppi di generazione non deve essere collegato a terra; nel funzionamento in isola si può optare per uno dei tre sistemi TT, TN o IT a seconda del tipo di dislocazione delle macchine. 4.4.2 Parallelo con la rete MT Alla rete MT possono essere allacciati generatori in grado di sostenere la tensione, anche in assenza di sorgenti esterne e, pertanto, tutti i generatori sincroni. La logica di allacciamento è sempre quella della Figura 4.12, da cui traggono origine gli unifilari di Figura 4.14. Il dispositivo generale può essere costituito da un interruttore in esecuzione estraibile con sganciatori di apertura o da un interruttore con sganciatori di apertura abbinato ad un sezionatore installato dal lato rete commerciale. La protezione associata al dispositivo generale deve far intervenire l’interruttore in modo selettivo, rispetto al dispositivo della rete commerciale, e deve essere dotata di una protezione di massima corrente e una protezione contro i guasti verso terra. Il dispositivo di interfaccia può essere costituito da un interruttore in esecuzione estraibile con sganciatori di apertura a mancanza di tensione, oppure da un interruttore con sganciatori di apertura a mancanza di tensione abbinato a due sezionatori, installati rispettivamente a monte e a valle dello stesso interruttore. Se il dispositivo di interfaccia si trova sul lato BT, può essere costituito da un contattore combinato con fusibili o da un interruttore automatico con bobina a mancanza di tensione. Per ragioni di sicurezza è preferibile che il dispositivo di interfaccia sia unico, indipendentemente dal numero di macchine da connettere in parallelo. Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 81 La protezione di interfaccia deve comprendere almeno i relé di minima e massima tensione (27 ritardato e 59 istantaneo), minima e massima frequenza (81< e 81> istantanei) e di massima tensione omopolare (59N ritardato). Solitamente le tarature dei relé vengono effettuate dall’ente gestore della rete. Figura 4.14 Schema unifilare di allacciamento alla rete MT: a. con carichi privilegiati in MT; b. con carichi privilegiati in BT Il dispositivo di interfaccia deve interrompere il parallelo quando: si verifica una mancanza della tensione di rete; la tensione e la frequenza non sono comprese entro i limiti impostati nella protezione di interfaccia; l’impianto dell’autoproduttore è sede di guasto. Il dispositivo di interfaccia deve, altresì, interrompere il parallelo durante le richiusure del dispositivo della rete pubblica, per non compromettere l’efficacia delle interruzioni ai fini Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 82 dell’estinzione dei guasti transitori. Si comprende, inoltre, che il comando di apertura del dispositivo generale deve determinare la simultanea apertura del dispositivo di interfaccia. Infatti, una apertura e chiusura intempestiva del dispositivo generale potrebbe connettere in parallelo la rete commerciale con la rete dell’autoproduttore, senza che ne sussistano le condizioni. Ai fini della sicurezza di interruzione del parallelo, il distributore può richiedere una protezione di rincalzo alla mancata apertura del dispositivo di interfaccia. Essa consiste nel riportare, mediante un circuito a lancio di corrente, il comando di scatto della protezione di interfaccia ad un altro organo di manovra, quale il dispositivo generale o il dispositivo del generatore, mediante un contatto temporizzato di 0.5 s subordinato alla mancata apertura del dispositivo di interfaccia (vedi Figura 4.15). Figura 4.15 Schema di principio per la protezione di rincalzo Il collegamento del centro stella del gruppo elettrogeno al neutro del trasformatore MT/BT potrebbe originare correnti di circolazione sul conduttore di neutro, per effetto delle tolleranze di costruzione e di regolazione. Per eliminare queste correnti di circolazione alcuni costruttori preferiscono sezionare il conduttore di neutro in uscita dal gruppo quando questo va in parallelo al trasformatore. Quando si passa dalla condizione di funzionamento in isola a quella di parallelo, e viceversa, si deve far in modo che il conduttore di neutro non rimanga isolato da entrambe le sorgenti, poiché i carichi monofase verrebbero alimentati dalla tensione concatenata. 4.5 Parallelo transitorio con la rete Il parallelo transitorio è attuato negli impianti con gruppi elettrogeni in emergenza per evitare il secondo black-out, in occasione della commutazione da gruppo a rete. Il diagramma di Figura 4.5 Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 83 mostra che, in un normale impianto di emergenza, il carico è privo di tensione per l’intervallo di tempo t5 , sebbene siano contemporaneamente presenti le tensioni di rete e del gruppo elettrogeno. Per alcuni impianti questo secondo black-out è intollerabile e, per evitare ciò, l’unica possibilità è quella di connettere il gruppo elettrogeno in parallelo alla rete, per un tempo sufficiente a trasferire il carico dal primo al secondo. Questa modalità di parallelo viene chiamata transitoria, nel senso che la connessione viene mantenuta solamente per un breve intervallo di tempo. La durata del collegamento non deve superare i 30 s, per impianti trifase, e 5 secondi per impianti monofase. Le apparecchiature di gestione sono identiche a quelle citate nei paragrafi precedenti, con la differenza che può essere accettabile un funzionamento senza regolatore del fattore di potenza, se le possibili correnti di circolazione non sono così “violente” da danneggiare gli avvolgimenti degli alternatori. Figura 4.16 Schema unifilare per gruppi elettrogeni in emergenza in parallelo transitorio con la rete La protezione di rincalzo per la commutazione è costituita dal dispositivo del generatore, che deve intervenire: Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 84 entro il tempo massimo di 30 s, per impianti trifase, e 5 s, per impianti monofase, in caso di mancata commutazione da gruppo a rete; l’apertura deve essere effettuata da uno sganciatore a mancanza di tensione; istantaneamente con una protezione direzionale di minima potenza, se il gruppo eroga potenza in rete e il distributore non ammette, neanche transitoriamente, tale cessione. In Figura 4.16 e in Figura 4.17 sono riportati rispettivamente lo schema unifilare e il diagramma della sequenza di funzionamento di un impianto in emergenza con parallelo transitorio con la rete. Tensione di rete Relé <V rete Tensione del gruppo elettrogeno Tensione sul carico t1 Erogazione rete t2 t BO t4 t3 Erogazione gruppo t5 t6 t tGR Erogazione rete Legenda t1 : tempo stabilizzazione della tensione di rete per evitare interventi intempestivi del gruppo elettrogeno; t2 : t3 : t4 : t5 : tempo di avviamento del gruppo elettrogeno; tempo di stabilizzazione del gruppo elettrogeno; tempo di stabilizzazione della tensione di rete per evitare commutazioni intempestive; parallelo transitorio tra gruppo e rete; t6 : tempo di raffreddamento del gruppo elettrogeno; t BO : tempo di black-out del carico; tGR : trasferimento del carico da gruppo a rete. Figura 4.17 Diagramma della sequenza temporale delle fasi di funzionamento di un gruppo elettrogeno in emergenza in parallelo transitorio con la rete Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 85 4.6 Scelta del sistema di protezione contro i contatti indiretti La scelta del sistema di protezione contro i contatti indiretti è funzione del collegamento del gruppo elettrogeno rispetto la rete. Pertanto, a seconda del funzionamento in isola o in parallelo, si distinguono differenti parametri di valutazione a cui si fa riferimento nei prossimi paragrafi. 4.6.1 Gruppo elettrogeno in isola Il sistema da adottare dipende dal tipo di servizio che svolge il gruppo elettrogeno rispetto l’impianto, cioè se in emergenza o continuo (servizio ordinario). Servizio di emergenza L’impianto elettrico, o parte di esso, deve essere idoneo per essere alimentato da due sorgenti indipendenti, quali la rete ed il gruppo elettrogeno. Pertanto, quando il gruppo elettrogeno subentra alla fonte normale di alimentazione, deve collegarsi all’impianto in modo che le protezioni installate siano in grado di intervenire nei modi e nei tempi previsti dalle norme. In base al sistema adottato con la rete, si analizzano qui di seguito le modalità di gestione del gruppo elettrogeno. Sistema TT: Non risulta conveniente adottare lo stesso sistema della rete quando subentra il gruppo elettrogeno. Infatti, per mantenere lo stesso collegamento, sarebbe necessario collegare il neutro del gruppo ad una terra separata dalle masse e, quindi, creare un dispersore elettricamente indipendente. Pertanto, risulta conveniente collegare il neutro del gruppo elettrogeno alla terra delle masse, realizzando un sistema equivalente al TN. L’impedenza dell’anello di guasto non costituisce un problema, essendo i carichi già dotati di protezione differenziale (vedi Figura 4.18). Sistema TN: Il gruppo elettrogeno può essere gestito con la stessa modalità della rete, cioè TN. In questo caso deve essere verificato che, in assenza di interruttori differenziali, l’anello di guasto sia tale da soddisfare le condizioni di apertura degli interruttori automatici. Infatti, le impedenze dell’alternatore (diretta, inversa e omopolare) sono assai più grandi di quelle del trasformatore (vedi Figura 4.19). In alternativa, se il sistema adottato con la rete è il TN-S, si può scegliere il sistema IT per il gruppo elettrogeno, verificando che il neutro sia sezionabile (vedi Figura 4.20). Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 86 Se in servizio ordinario è adottato un sistema TN-C (impianto alimentato dalla rete), deve essere mantenuto tale quando subentra il gruppo elettrogeno, assicurandosi che il PEN non venga interrotto da alcun organo di manovra. Sistema IT: Se il sistema di protezione contro i contatti indiretti nel servizio ordinario è IT, impianto alimentato dalla rete, deve essere mantenuto tale anche in emergenza (vedi Figura 4.21). Figura 4.18 Sistema TT: a. guasto con rete - TT; b. guasto con gruppo elettrogeno con sistema equivalente al TN Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 87 Figura 4.19 Sistema TN: a. guasto con rete; b. guasto con gruppo elettrogeno Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 88 Figura 4.20 Sistema TN: a. guasto con rete sistema TN; b. guasto con gruppo elettrogeno gestito in IT Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 89 Figura 4.21 Sistema IT : a. guasto con rete; b. guasto con gruppo elettrogeno Servizio continuo (ordinario) I gruppi elettrogeni che alimentano gli impianti in servizio continuo possono svolgere, ai fini della protezione dei contatti indiretti, la stessa funzione di un trasformatore MT/BT. E’ preferibile l’applicazione del sistema TN, poiché può non sussistere l’esigenza di impiegare gli interruttori differenziali su tutti i circuiti. Naturalmente l’uso dei dispositivi differenziali costituisce una ulteriore protezione a garanzia della sicurezza. Dove è necessario garantire una elevata continuità di servizio si può utilizzare il sistema IT, abbinato ad un dispositivo di controllo dell’isolamento. Emilio Giomo Capitolo 4. Funzionamento dei gruppi elettrogeni e loro protezioni 90 4.6.2 Gruppo elettrogeno in parallelo alla rete Quando il gruppo elettrogeno è in parallelo alla rete, è necessario utilizzare lo stesso sistema adottato per la rete stessa. Nel parallelo con la rete BT, il sistema da adottare è il TT; nel parallelo in MT il sistema generalmente impiegato è il TN. Emilio Giomo