Protezioni
I corto circuiti provocano aumenti di corrente e
diminuzioni di tensione. Tali fenomeni sono dannosi per:
– le sollecitazioni elettrodinamiche (correnti): avvolgimenti dei
trasformatori, sbarre di stazione, linee, ecc.;
– le sovra-temperature indotte (correnti): isolamenti non ripristinabili;
– possibili instabilità transitorie dei generatori;
– la qualità del servizio verso i clienti finali: costanza della tensione,
continuità di alimentazione;
– il corretto funzionamento delle centrali: alimentazione dei servizi
ausiliari.
Protezioni
I guasti devono essere eliminati in tempi brevi; l'energia
associata ai fenomeni è infatti proporzionale a I2*t . I tempi
di eliminazione devono ovviamente tenere conto del
problema del coordinamento e della selettività (necessità di
identificazione della sezione nella quale è avvenuto il
guasto al fine di isolare solamente tale sezione).
Ogni componente deve quindi avere un adeguato sistema
di protezione. Per sistema di protezione si intende:
relè rivelatore del guasto;
interruttore associato.
Protezioni
Importanza della misura delle grandezze elettriche ai fini
delle protezioni (i TA ed i TV con le relative inserzioni non
servono solamente per la misura delle potenze e delle
energie).
Requisiti di una protezione
I requisiti fondamentali di un sistema di protezione contro i
cortocircuiti sono:
– selettività: è necessario eliminare dal sistema soltanto il
componente sede del guasto; il sistema di protezione deve
quindi distinguere tra guasto interno e guasto esterno al
componente;
– sicurezza di intervento: ai fini della affidabilità complessiva del
sistema è importante che il sistema di protezione sia il più
affidabile possibile (intempestività delle protezioni sia per
taratura non corretta che per guasto tipicamente
all'interruttore) e che ci siano opportune ridondanze;
Requisiti di una protezione
- autonomia: il sistema di protezione deve essere indipendente
(autonomo) dalla struttura della rete (linee aperte/chiuse) e
dalla gestione del sistema (dispacciamento); deve essere infatti
osservato che i flussi di potenza in alcuni componenti possono
anche invertirsi durante le ore del giorno e che i valori delle
correnti di corto circuito dipendono dal numero e dalla taglia
dei generatori in servizio: Le tarature dei relè devono essere
tali da rispondere in maniera corretta in tutte le condizioni di
funzionamento.
- rapidità di intervento: la rapidità è importante sia per ridurre gli
effetti dannosi del guasto sia per limitare possibili fenomeni di
instabilità transitoria;
Classificazione dei relé
Le classificazioni che tipicamente vengono usate per i relè sono
sulla base della grandezza elettrica e sulla base del tempo di
intervento.
Classificazione sulla base della grandezza elettrica
Sulla base della grandezza elettrica misurata i relè vengono
classificati come:
– relè voltmetrici;
– relè amperometrici;
– relè wattmetrici (anche direzionali);
– relè varmetrici (anche direzionali);
– relè a variazione di impedenza.
Classificazione dei relé
Classificazione sulla base del tempo di intervento
– Sulla base del tempo di intervento i relè vengono classificati come:
– relè istantanei (o a ritardo di intervento nullo);
– relè a tempo indipendente (o a ritardo fisso);
– relè a tempo dipendente (o a ritardo variabile).
Tipologe di relé
Le principali tipologie di relè sono:
– relè elementari ad azione elettromagnetica;
– relè elementari a induzione;
– relè a bilancia.
Relé ad azione elettromagnetica
L'equazione di equilibrio del relè è:
K T2 FR 0
Utilizzazione: come relè amperometrici:
I I0
Utilizzazione: come relè voltmetrici:
V V0
FR
Ki
FR
Kv
Relé ad induzione
L'equazione di equilibrio del relè è:
K 1 2 sen CR 0
Utilizzazione: come relè direzionali wattmetrici o varmetrici
(flussi di potenza attiva/reattiva).
Relé wattmetrici ad induzione
Se 1 è proporzionale a jV e 2 è proporzionale a I si ottiene:
K Kv Ki V I sen CR K Kv Ki V I cos CR 0
Se si annulla la coppia resistente CR lo strumento diventa sensibile
alla direzione della potenza attiva nell'elemento in cui è inserito
(linea)
V I cos 0
Relé wattmetrici ad induzione
La coppia massima dello strumento (sensibilità) si ottiene per
=0. Volendo avere la coppiamax per un angolo ’ diverso si può
sfasare uno dei flussi, ad esempio 2.
In tal modo l'equazione di equilibrio diventa
V I cos( ' ) 0
Relé wattmetrici ad induzione
Dalla equazione di equilibrio
V I cos( ' ) 0
Dividendo per I2 si ha
V
cos( ' ) Z p (cos cos ' sen sen ') 0
I
R p X p tan '
Poiché ' è costante, l'ultima relazione rappresenta sul piano RX la caratteristica di un relè direzionale. Tale caratteristica
rappresenta una retta in corrispondenza della quale la coppia
dello strumento è nulla.
Relé wattmetrici ad induzione
Caratteristica di un relé wattmetrico a induzione
Relé a bilancia
L'equazione di equilibrio del relè è:
K1 T2 1 K 2 T2 2 0
Utilizzazione: come relè a impedenza.
Relé a impedenza
Può essere realizzato con un relè a bilancia imponendo:
T 1 K i I
T 2 K v V
L'equazione di equilibrio diventa quindi
K1 Ki2 I 2 K 2 K v2 V 2
Da cui
V 2 K1 Ki2
2
Z
0 cost.
2
2
I
K2 Kv
Relé a impedenza
La precedente espressione, in un piano R-X delle impedenze,
corrisponde ad un cerchio.
L'impiego di tali relè è particolarmente utile in caso di corto
circuito trifase netto.
Relé a impedenza
In una rete magliata l'impedenza di una linea coincide in
pratica con la reattanza longitudinale alla sequenza diretta
ZL.
La tensione a cui è sensibile il relè è quella all'inizio della
linea (Vcc); la corrente è quella di guasto.
Se l'impedenza di taratura Z0 viene scelta coincidente con
quella della linea il relè interverrà quando l'impedenza da
lui vista è minore di Z0, cioè quando tale impedenza è
interna al cerchio, e viceversa.
Poiché l'impedenza misurata è proporzionale alla distanza
del guasto, questi relè vengono anche chiamati
distanziometrici (protezioni distanziometriche).
Protezioni delle linee
Le tipologie di protezioni delle linee dipendono prima di
tutto dalla struttura della rete. In particolare esistono
quindi due categorie di protezioni:
protezioni per reti magliate;
protezioni per reti radiali.
Protezioni per reti magliate
In una rete magliata quando avviene un guasto su una
linea occorre in generale interrompere la corrente sia a
monte che a valle del guasto.
Ogni linea deve quindi essere provvista di due protezioni,
una all'inizio ed una alla fine, ciascuna composta dai relè e
dai relativi interruttori.
Protezioni distanziometriche
Sono le protezioni più usate nelle reti di trasmissione AT
magliate. Il loro tempo di intervento è direttamente
proporzionale alla distanza e la misura della distanza
viene effettuata tramite una misura di impedenza.
Una protezione distanziometrica è generalmente
composta dalle seguenti parti:
un relè di avviamento;
un dispositivo di misura della distanza comprendente un relè di
misura della distanza, un relè direzionale, un relè cronometrico ed
eventualmente un relè antipendolante;
un dispositivo di comando della manovra dell'interruttore ed un
relè per la richiusura automatica dell'interruttore;
un eventuale dispositivo di telepilotaggio.
Protezioni distanziometriche
Il relè di avviamento ha la funzione di avviare il procedimento di
misura della distanza non appena si presenta il guasto.
E' sensibile ad uno qualsiasi degli eventi associati ad un corto
circuito: aumento di corrente, diminuzione di tensione,
diminuzione di impedenza. E' sensibile anche ad una
combinazione di tali fattori.
Nella pratica si utilizzano generalmente relè a massima corrente
e minima impedenza.
Protezioni distanziometriche
Osservazione
Per quanto riguarda l'angolo ' del relè distanziometrico, ai fini
di avere la coppia massima sullo strumento sarebbe opportuno
che risultasse:
XL
' L arctan
RL
dove RL ed XL sono rispettivamente la resistenza e la reattanza
longitudinali della linea. Tale considerazione è ovviamente vera
in caso di guasto franco, in quanto la presenza di un arco
modificherebbe la resistenza e conseguentemente la selettività
della protezione.
Protezioni distanziometriche
a1 e b1 intervengono prima di g1, g2, (G3, G4, C, D) perché più vicine;
a2, a3, b2, b3 non intervengono perché vedono il guasto alle spalle (direzionale);
in caso di mancato avviamento di a1, b1 interverranno i più vicini tra g1, g2, C, D
(sicurezza di intervento).
Relé distanziometrico con compensazione della
resistenza d’arco
La presenza di una resistenza di guasto Rg può alterare la
selettività della protezione, specialmente se il guasto avviene
all'estremo opposto della linea (in questo caso una protezione
potrebbe intervenire e l'altra no).
Relé distanziometrico con compensazione della
resistenza d’arco
Si può risolvere il problema con una protezione
distanziometrica a sola reattanza (il cerchio si trasforma in una
retta; interviene quando la linea trasporta solo potenza attiva) o
compensando la resistenza di guasto.
Relé distanziometrico con compensazione della
resistenza d’arco
Altro modo di risolvere il problema è la compensazione della
resistenza d'arco si ottiene spostando nel piano R-X il centro del
cerchio caratteristico della protezione.
La compensazione può essere semplice (il centro del cerchio
viene traslato sull'asse reale).
Relé distanziometrico con compensazione della
resistenza d’arco
….. oppure doppia (il centro del cerchio viene traslato nel IV
quadrante)
La compensazione semplice viene ottenuta con un relè a bilancia definendo 4
costanti reali distinte (K11, K12, K21, K22) mentre quella doppia definendo le 4
costanti complesse (sfasamento opportuno delle 4 correnti che percorrono gli
avvolgimenti).
Rapidità di intervento
Con riferimento alla rapidità di intervento di una protezione, al
fine di far intervenire per prime le protezioni più vicine al
guasto, si potrebbe fare in modo che il tempo di intervento
fosse proporzionale alla distanza della protezione dal punto di
guasto.
In tale modo le due protezioni all'inizio ed alla fine della linea
interverrebbero contemporaneamente solo nel caso in cui il
guasto fosse a metà linea.
Rapidità di intervento
La differenza del tempo di intervento delle due protezioni
potrebbe rappresentare un rischio per la stabilità del sistema.
Per tale motivo i tempi di intervento vengono assunti a gradino.
I due relè intervengono quindi contemporaneamente dopo un
tempo base t1 = 80 100 ms..
Sicurezza di intervento
Le protezioni distanziometriche relative ad un tratto di linea
vengono utilizzate anche come protezioni di riserva per i
tronchi di linea adiacenti.
Questo fatto è ottenuto tramite la regolazione a gradini dei
tempi di intervento ai quali corrispondono le impedenze dei
diversi tratti di linea.
Intervento di riserva di protezioni distanziometriche
Si ipotizzi che la protezione b1 non funzioni e che tutte le
altre funzionino correttamente.
a2 e c1 non intervengono per mancato consenso direzionale;
b2 interviene nel tempo di primo gradino;
a1 interviene nel tempo di secondo gradino;
l'intervento di b2 precede quello di c2;
non si isola il tronco B-C ma il tronco A-C;
se anche b2 non funziona intervengono a1 e c2 e si isolano tutti e tre i
tronchi.
Sicurezza di intervento
La misura dell'impedenza di guasto è generalmente affetta da
errori elevati (2030%) che potrebbero provocare scatti
intempestivi (apertura di a1 per guasto su B-C). Per tale motivo
si riduce la lunghezza della prima tratta di linea protetta
all'8085% e si parla quindi di primo gradino accorciato.
Sicurezza di intervento
Di conseguenza il secondo gradino interviene per guasti che
avvengono nella rimanente parte della prima tratta e fino a
circa la metà della seconda. Successivamente la protezione
interviene in secondo e terzo gradino secondo i tempi
caratteristici.
I valori caratteristici dei tre tempi di scatto sono: t1 = 0.1 sec, t2 = 0.4 sec, t3 = 1 sec.
Sicurezza di intervento
Naturalmente le protezioni distanziometriche devono
essere installate alle due estremità della linea protetta in
quanto devono comandare l'apertura indipendentemente
dal verso dei flussi di potenza. Di conseguenza le
protezioni devono avere caratteristiche di simmetria.
Con riferimento all'esempio:
se il guasto avviene entro 0.2 L, intervengono a1 in primo gradino
ed a2 in secondo;
se il guasto avviene tra 0.2 e 0.8 L, intervengono a1 ed a2 in primo
gradino contemporaneamente;
se il guasto avviene tra 0.8 L ed L, intervengono a1 in secondo
gradino ed a2 in primo.
Sicurezza di intervento
Il comportamento prima ricordato può portare ad
instabilità del sistema dovuta ai differenti tempi di
apertura degli interruttori (0.3 sec). Per tale motivo si
ricorre a dispositivi di telepilotaggio (invio del segnale di
comando di apertura degli interruttori tramite onde
convogliate).
Relé antipendolante
Il relè antipendolante ha lo scopo di impedire interventi
intempestivi delle protezioni a causa di oscillazioni che
provocano
variazioni
brusche
dell'impedenza
complessivamente vista dalla protezione (per esempio il fuori
servizio di un gruppo può produrre variazioni di transito di
potenza sulla linea che vengono viste come variazioni di
impedenza).
Relé antipendolante
Il relè antipendolante valuta le variazioni di impedenza in un
tempo assegnato (derivata dell'impedenza rispetto al tempo); se
tali variazioni superano il valore di taratura la protezione le
interpreta come un guasto.
I valori di Z1, Z2, t devono tenere conto sia delle caratteristiche della rete sia
delle modalità con le quali viene esercita (dispacciamento dei gruppi).
Richiusura automatica
Una protezione distanziometrica comprende infine un relè di
scatto dell'interruttore ed un relè di richiusura automatica.
Il relè di richiusura automatica è estremamente utile in tutti
quei casi nei quali si abbiano guasti di tipo transitorio (es.: archi
a terra provocati da sovratensioni) che durano poche decine di
millisecondi. In tali casi il relè di richiusura automatica
interviene dopo un tempo di attesa assegnato per effettuare la
richiusura dell'interruttore.
In funzione del tempo di attesa, la richiusura può essere:
rapida, con attese di 0.30.5 sec;
lenta, con attese di 2060 sec.
Richiusura automatica
I tempi riportati sono relativi a guasti trifasi.
I tempi per guasti monofasi sono mediamente più lunghi
di un ordine di grandezza.
Nella reti 220 e 380 kV esiste la possibilità sia della
richiusura automatica monofase che di quella trifase.
Protezioni per reti radiali
Le protezioni più diffuse per tali tipi di linee sono a massima
corrente per guasti polifase.
Le protezioni vengono installate ad un solo estremo della linea.
I tempi di scatto vengono scelti in modo tale che
t1
<
t2
<
t3
<
t4
<
t5
Protezioni per reti radiali
Nelle reti radiali ad anello le protezioni sono posizionate ai due
estremi e sono direzionali a massima corrente.
Anche in questo caso le protezioni sono tipicamente a tempo
dipendente.
Protezioni per reti radiali
Le protezioni possono essere a tempo dipendente o a tempo
indipendente.
Protezioni per reti radiali
Per guasti monofase le protezioni dipendono dallo stato del
neutro:
linee con neutro francamente a terra;
linee con neutro isolato/compensato.
Nel caso di linee con neutro francamente a terra le protezioni
sono tipicamente con relè di massima corrente. Generalmente
l'apertura degli interruttori è trifase indipendentemente dal tipo
di guasto (monofase, bifase o trifase)
Nel caso di linee con neutro isolato (MT in Italia) le protezioni
generalmente presenti sono:
massima corrente per guasti polifase;
direzionale di terra per guasti monofase a terra;
tensione omopolare di sbarra per guasti sulla sbarra MT di
stazione.
Protezioni direzionali di terra
In caso di guasto monofase a terra su una linea la situazione è
In particolare, trascurando le reattanze longitudinali Zd e Zi
rispetto a quelle trasversali, risulta
Id Ii Io
Ig
3
ER
j
3 Rg
Co
Protezioni direzionali di terra
Con i versi dei riferimenti assunti si ha
j Io
Eo
Co
da cui si evidenzia che, nell'ipotesi che la resistenza di guasto sia
nulla, la corrente omopolare è in quadratura in ritardo rispetto
alla tensione omopolare.
Inoltre
n
3 I
1
( p)
o
0
n 1
I
( p)
o
I
(n)
o
1
Ciò significa che le correnti omopolari nelle linee sane sono in
opposizione di fase con la corrente omopolare nella linea
guasta.
Protezioni direzionali di terra
Protezioni direzionali di terra
Quindi la potenza reattiva omopolare risulta essere uscente dalla linea
guasta ed entrante in tutte le altre linee sane.
La protezione potrà quindi essere realizzata con relè varmetrici.
I tempi di intervento sono ancora dell'ordine di 0.10.3 sec.
Nel caso che permanga una condizione di guasto (presenza di
consistenti componenti omopolari) è previsto l'intervento del relè di
tensione omopolare di sbarra con tempi di intervento dell'ordine di
12 sec.
