Dossier tecnico n° 6
Apparecchiatura di manovra per
le batterie di condensatori MT
Apparecchiatura
di manovra
per le batterie di
condensatori MT
Dossier tecnico n° 6
Redatto a cura del
Dipartimento di Media Tensione
Questo dossier tecnico ha per obiettivo di:
spiegare l'origine dei fenomeni che si manifestano durante la manovra
di inserzione e disinserzione delle batterie di condensatori in media tensione;
■ presentare al lettore le formule per il calcolo delle grandezze elettriche
caratteristiche ed i principali criteri di progetto;
■ illustrare gli aspetti tecnologici e normativi riguardanti le prestazioni
delle apparecchiature destinate alla manovra e protezione delle batterie
di condensatori.
■
Indice
1. Compensazione dell’energia
reattiva
Generalità
Le tecniche di compensazione MT
Definizione dei simboli utilizzati
2. Manovra delle batterie
di condensatori
Fenomeni elettrici legati
all'inserzione
Fenomeni elettrici legati
all'interruzione
Alcuni ordini di grandezza
3. Problemi dei condensatori
e relative soluzioni
Sollecitazioni elettriche
Progettazione delle batterie di
condensatori
Dimensionamento termico
dell'apparecchiatura
2
2
3
3
4
4
6
7
8
8
8
8
4. Problemi dell'apparecchiatura
e relative soluzioni tecniche
9
Principali aspetti tecnici
9
Soluzioni costruttive
9
Norme
10
5. Calcolo delle correnti di
inserzione e delle induttanze
di limitazione
Introduzione
Batteria singola
Batteria a gradini
Le induttanze limitatrici
11
11
11
11
11
6. Appendice
12
Tabelle di scelta per l'utilizzazione
dell'apparecchiatura
12
Tabella 1: caratteristiche principali
dell'apparecchiatura MT
12
Tabella 2: scelta dell'apparecchiatura
MT in relazione alla durata elettrica 13
Tabella 3: calcoli delle correnti
di chiusura
14
7. Bibliografia
15
Questa pubblicazione fa parte della collana "Dossier tecnici" coordinata
dai Servizi Tecnici Centrali di Merlin Gerin.
I Dossier tecnici rappresentano un agile strumento di lavoro frutto del patrimonio
di esperienze e competenze aziendali.
La collezione ha lo scopo di fornire informazioni più approfondite ed essere
un valido strumento di riferimento nei campi specifici delle apparecchiature
elettromeccaniche, dell'elettronica industriale, del trasporto e della distribuzione
dell'energia elettrica.
1
Apparecchiatura di manovra
per le batterie di condensatori MT
1. Compensazione dell’energia reattiva
Generalità
■
L’ impiego dei condensatori in una rete
elettrica è conosciuto come “metodo di
compensazione”.
❑
Questo utilizzo è determinato da:
■ l’obiettivo ricercato (evitare le penalità
tariffarie per basso cosϕ, alleggerire il
carico dei cavi, dei trasformatori,
incrementare il valore di tensione)
il metodo di distribuzione dell’energia
elettrica
■
■
il regime di carico
l’influenza prevedibile dei
condensatori sulle caratteristiche della
rete
■
il costo dell’installazione.
La compensazione dell’energia reattiva
può essere (vedi fig.1) :
■
■
Globale
Esempio:
❑
sulla rete AT per l’ente distributore ①
❑
sulla rete MT per un utente MT ➁
Per settori
Esempio:
per cabina primaria ENEL ④
❑ per officina o edificio di un utente BT ➄
■
Individuale
Questa forma di compensazione
è tecnicamente ideale perché produce
energia reattiva nel luogo stesso ove
è consumata, in una quantità
rigorosamente adeguata alla necessità.
Tuttavia questa soluzione è ritenuta
onerosa e conduce generalmente ad
una sovracompensazione poiché non
tiene conto della possibile variazione
dei carichi.
Esempio: grossi motori MT o BT .
In genere, l’installazione delle batterie
di condensatori in media ed alta tensione
è più economica per potenze superiori
a circa 1000 kVAr, anche se l’analisi
delle reti di differenti paesi mostra che
non esiste una regola universale.
Il metodo di compensazione dipende
dalla politica energetica dei paesi e dei
distributori.
Negli U.S.A. la compensazione è
essenzialmente in MT per ragioni di
politica tariffaria, contrariamente in
Germania dove la compensazione è
fatta in BT perché si ritiene logico
compensare l’energia reattiva
esattamente nel punto di consumo.
In Italia:
ENEL installa batterie singole nelle
sue cabine primarie AT/MT su reti
a 10, 15 e 20 kV.
■
La potenza di queste batterie può
raggiungere i 10 MVAr a 20 kV.
Gli utenti MT o BT devono
compensare i propri impianti per
ottenere un cosϕ nel punto di
collegamento alla rete superiore o
uguale a 0,9.
■
sulla rete BT ➂ per un utente BT con
batterie di tipo fisso.
❑
fig. 1
2
MERLINI GERIN - Dossier Tecnico n° 6
Le tecniche di
compensazione MT
Definizione dei simboli
utilizzati
Compensazione tradizionale
Le batterie di condensatori sono
collegate in derivazione sulla rete.
Esse possono essere:
■ Singole (fig. 2)
Quando la loro potenza è modesta e il
carico relativamente costante.
■ Multiple o frazionate (fig. 3)
Tale compensazione è comunemente
chiamata “a gradini “ (back to back nel
termine inglese). Questo tipo di batterie
è molto utilizzato in alcune grandi
industrie (con forti potenze installate) e
dai distributori d’energia e permette
una regolazione passo-passo
dell’energia reattiva. L’inserzione e la
disinserzione delle batterie può essere
pilotata da relé di tipo varmetrico.
La trattazione riguarda esclusivamente
i circuiti trifase. Le notazioni sono le
seguenti :
■ L’alimentazione
❑ U : tensione di rete
❑ Icc : corrente di cortocircuito della
rete
❑ Scc : potenza di cortocircuito
Compensazioni particolari
Nota: questi sistemi sono richiamati a
titolo informativo.
■ Compensatori statici istantanei
Quando è necessaria una
compensazione variabile e continua
(industrie con forti carichi variabili e
regolazione della tensione su reti AT),
questa viene realizzata combinando
condensatori, induttanze variabili ed
elettronica di potenza (fig. 4).
In generale il sistema è composto da:
❑ una batteria di condensatori fissa;
❑ un sistema di filtri che neutralizza le
eventuali armoniche presenti nella rete
e quelle generate dall’elettronica di
potenza;
❑ un’ induttanza variabile inserita
tramite tiristori, con i quali è possibile
anche inserire parte dei condensatori.
■ Batterie in serie
Nel caso di grandi reti con linee molto
lunghe, le batterie di condensatori
possono essere montate in serie sulla
linea (fig. 5). Un tale montaggio
permette una compensazione
permanente ed adeguata ai bisogni
poiché l’energia reattiva fornita dipende
dalla corrente circolante nella linea.
Realizzazioni di questo tipo esistono
nel continente americano, mentre non
trovano applicazioni in Europa.
È necessario un sofisticato sistema per
cortocircuitare i condensatori onde
evitarne la distruzione, quando, in
seguito ad un guasto, circola in linea
una elevata sovracorrente.
Scc = 3 U Icc =
U2
Lo ω
fig. 2
Lo : induttanza di cortocircuito della
rete
❑ f : frequenza di esercizio
❑ ω : pulsazione alla frequenza di
esercizio
■ I collegamenti
❑ L : induttanza di collegamento (serie)
della batteria (caso di batteria unica)
❑ l : induttanza di collegamento (serie)
di ogni gradino della batteria
❑ L: induttanza limitatrice
■ Il carico
❑ C : capacità della batteria
❑ Q : potenza della batteria
❑
(Q = U Cω =
2
3 U Icapa
)
fig. 3
❑ Icapa: corrente di regime che circola
nella batteria
■ I fenomeni transitori
❑ Ie : corrente di picco di chiusura
❑ fe : frequenza di oscillazione di Ie
❑ KA : coefficiente di sovratensione
a monte (lato rete).
KA espresso in p.u. = massimo valore
di picco della tensione a monte in fase
di chiusura, divisa per:
U 2
3
KB: coefficiente di sovratensione
a valle (lato batteria)
■ L’apparecchiatura
❑ In : corrente in servizio continuo
❑ Ich.max: corrente di picco massima
di chiusura.
❑
fig. 4
fig. 5
MERLINI GERIN - Dossier Tecnico n° 6
3
Apparecchiatura di manovra
per le batterie di condensatori MT
2. Manovra delle batterie di condensatori
Fenomeni elettrici legati
all’inserzione
L’inserzione di una batteria di
condensatori, destinata a funzionare
in derivazione su una rete, è
accompagnata da un regime transitorio
causato dai fenomeni di carica della
batteria.
Dal punto di vista della “corrente”,
la carica oscillante provoca una
sovraintensità la cui ampiezza
è funzione delle caratteristiche della
rete e della batteria.
La chiusura equivale praticamente
a stabilire, nel punto considerato,
un cortocircuito di piccola durata
(frequenza elevata in rapporto alla
frequenza della rete).
Dal punto di vista della “tensione”,
la carica è accompagnata dalla
propagazione lungo la rete di un’onda
di perturbazione.
Questi fenomeni transitori dipendono
dalle caratteristiche della rete e
dall’istante di chiusura dei contatti o di
preinnesco. I due casi tipici sono una
batteria singola ed una batteria
frazionata a gradini.
Batteria singola (fig. 6)
Poiché L ≤ Lo, nei calcoli che seguono
si trascura L rispetto a Lo. L’inserzione
di una batteria isolata su una rete
è rappresentata in fig. 7.
Gli oscillogrammi di corrente e tensione
mostrano la sovracorrente e le
sovratensioni, a monte e a valle, che
accompagnano la chiusura.
La frequenza propria di oscillazione
è uguale a:
fe =
La corrente di picco di chiusura è data
da:
Ie =
U 2
3
C
Scc
= Icapa ⋅ 2
Lo
Q
Scc = potenza di cortocircuito della rete
di alimentazione in MVA nel punto di
collegamento.
Q = potenza del condensatore
espressa in MVAr.
1
2π LoC
Le sovratensioni a monte e a valle sono
uguali, ossia:
KA = KB ≤ 2 p.u.
fig. 6
fig. 7
4
MERLINI GERIN - Dossier Tecnico n° 6
Batteria frazionata (fig. 8)
Nota: per semplicità di calcolo si
considera solo il caso di gradini tutti
uguali; i calcoli sono più complicati nel
caso generale (vedi norma IEC
56.1987 allegato BB).
Lo = induttanza di alimentazione
l = induttanza di collegamento serie
n = numero di gradini in servizio
quando si inserisce l’n+1esimo .
L’inserzione di un gradino, se fatta in
presenza di batterie già in tensione, è
accompagnata da due fenomeni
transitori sovrapposti.
Il primo, di frequenza molto elevata,
Gli oscillogrammi di corrente e tensione
mostrano le sovracorrenti e le
sovratensioni che appaiono
all’inserzione e distinguono i due
fenomeni. Da notare che il fattore di
sovratensione KA propagato in rete è
tanto minore quanto maggiore è il
numero di gradini già in servizio.
Per contro, all’aumentare del numero di
gradini in servizio, aumenta anche la
sovracorrente d’inserzione.
n U 2
Ie =
n+1 3
lC
l
n fe
= Icapa 2
n+1 f
Frequenza propria di oscillazione :
1
2π
C
fe =
1
2π
corrisponde alla scarica delle batterie
già in tensione nel gradino appena
inserito.
Il secondo, di frequenza più bassa,
lC
Sovratensione :
dal lato rete
■
n+2
p.u.
n+1
■ dal lato batteria
KA =
KB =
2n
p.u.
n+1
Queste sovratensioni non superano il
doppio della tensione di rete e
generalmente non causano problemi, in
quanto tutti i componenti sono costruiti
in modo da tollerare questa
sollecitazione.
Le sovracorrenti, invece, richiedono
spesso degli accorgimenti opportuni
per evitare di danneggiare i
condensatori e l’apparecchiatura.
1
2π LoC
quindi molto spesso trascurabile
rispetto al primo, (Lo è molto maggiore
di l), corrisponde alla scarica nella rete
del sistema di batterie, i cui potenziali
alla fine saranno identici.
La chiusura dell’ n+1esimo gradino di una
batteria frazionata è rappresentata in
fig. 9.
fig. 8
fig. 9
MERLINI GERIN - Dossier Tecnico n° 6
5
Apparecchiatura di manovra
per le batterie di condensatori MT
Fenomeni elettrici legati
all’interruzione
Quando l’apparecchio di manovra ha
interrotto la corrente nella batteria (più
precisamente nell’istante di estinzione
dell’arco tra i contatti), quest’ultima
resta carica alla tensione di picco.
La batteria si scarica quindi attraverso
le resistenze di scarica di cui è dotato
ogni condensatore (tempo: da 1 a 5
minuti).
La tensione di ritorno ai morsetti
dell’interruttore raggiunge 2 Um dopo
un semiperiodo (nell’ipotesi di tensione
d’arco trascurabile).
Se il ripristino delle caratteristiche
dielettriche dell’interruttore aumenta più
rapidamente di questa tensione di
ritorno, l’interruzione avviene
normalmente. Al contrario, se questo
ripristino aumenta meno rapidamente
della tensione di ritorno, si avrà una
scarica tra i contatti dell’interruttore
(fig. 10 ➂). La norma distingue:
■ la riaccensione (scarica entro un
quarto di periodo dopo l’interruzione),
fenomeno che non dà luogo ad un
incremento sensibile di tensione;
■ il riadescamento (scarica dopo più di
un quarto di periodo).
In questo caso i fenomeni sono simili a
quelli riscontrati alla chiusura, ma
possono essere amplificati dal fatto che
il riadescamento può aver luogo ad una
tensione uguale al doppio di quella di
chiusura.
Dal punto di vista teorico, con più
riadescamenti si constata che:
■ le sovratensioni di manovra
aumentano progressivamente :
3 Um; 5 Um; 7 Um ...
■ le tensioni di ritorno tra i contatti
dell’interruttore aumentano
progressivamente:
2 Um; 4Um ...
In pratica, le tensioni non aumentano
così rapidamente ed in modo tanto
regolare ad ogni riadescamento,
perché non sempre questo si manifesta
in corrispondenza della differenza di
tensione massima e perché anche lo
smorzamento del circuito ha una certa
influenza.
Tuttavia, i successivi riadescamenti
durante l’interruzione di una batteria
possono condurre a tensioni elevate,
pericolose sia per la rete che per i
condensatori. Le sovracorrenti
provocate sono proporzionali alla
differenza di tensione esistente tra la
rete e i condensatori prima del
riadescamento.
6
fig. 10
MERLINI GERIN - Dossier Tecnico n° 6
Queste correnti sono di ampiezza
sempre superiore a quelle riscontrate
alla chiusura e sono pertanto più
pericolose per l’insieme dei materiali.
E’ quindi di primaria importanza
utilizzare un’apparecchiatura il cui
rapido ripristino delle caratteristiche
dielettriche eviti completamente i
riadescamenti.
In genere negli impianti esistenti, il
valore di picco della sovracorrente non
supera il valore massimo stabilito per le
batterie di condensatori (100 volte la
corrente a regime della batteria Icapa).
In media, il valore di picco della
sovracorrente è dell’ordine di 10÷30
volte Icapa.
La frequenza propria del transitorio è
compresa tra 300 e 1000 Hz.
Alcuni ordini di grandezza
1
ω
Ie
=
fe =
2π LoC 2π 2 Icapa
Le sovracorrenti riscontrate
all’inserzione sono molto variabili a
secondo del tipo di schema e della
configurazione della rete.
■ Nel caso di una batteria singola, il
valore di picco della corrente transitoria
dipende dalla potenza di cortocircuito
della rete (Scc) nel punto di
collegamento.
La fig. 11 mostra il rapporto :
Ie
Icapa
in funzione di Scc e della potenza Q
della batteria.
Nel caso di una batteria frazionata, la
corrente transitoria è molto più elevata
poiché l’induttanza di collegamento l
delle singole batterie è molto piccola
rispetto all’induttanza di alimentazione
della rete. Se non sono previsti
particolari dispositivi di limitazione
(induttanze limitatrici), la sovracorrente
è 30÷50 volte più elevata che nel caso
precedente.
Considerando che nella maggior parte
dei casi queste sovracorrenti superano
i valori sopportabili dai materiali
(apparecchiature e condensatori),
risulta necessario utilizzare delle
induttanze limitatrici (vedi § 5).
■
fig. 11
MERLINI GERIN - Dossier Tecnico n° 6
7
Apparecchiatura di manovra
per le batterie di condensatori MT
3. Problemi dei condensatori e relative soluzioni
Sollecitazioni elettriche
Le sovracorrenti e le sovratensioni
create dalla manovra delle batterie di
condensatori devono essere compatibili
con quelle che i componenti
dell’impianto sono in grado di
sopportare. Se questi sono progettati
per sopportare le normali sollecitazioni
presenti nelle reti MT, sono necessarie
alcune precauzioni aggiuntive nel caso
in cui gli apparecchi di manovra non
siano specificamente previsti per
manovrare le batterie di condensatori.
Dal punto di vista dei condensatori
La sovratensione transitoria di 2 Um ai
morsetti è sopportata normalmente
senza particolari deterioramenti, a
condizione che non si ripeta più di 1000
volte all’anno.
Le sovracorrenti di chiusura non
devono superare 100 volte la corrente
nominale della batteria.
Si può ritenere che una tale
sovracorrente possa essere sopportata
per 1000 volte all’anno, mentre una
sovracorrente pari a 30 volte In lo
potrebbe essere per 100.000 volte
all’anno. Nel caso di sovracorrenti
superiori, in serie con le batterie di
condensatori vengono collegate le
induttanze limitatrici.
Progettazione delle batterie
di condensatori
Si considerano 2 casi :
■ batteria singola (fig. 12)
■ batteria multipla o a gradini (fig. 13)
Batteria singola
Questa soluzione è facilmente
realizzabile per i seguenti motivi :
■ la Scc della rete non dà luogo a
sovracorrenti superiori a 100 Icapa
■ il numero di manovre è relativamente
basso poiché non c’è la regolazione di
energia reattiva.
8
In queste condizioni, generalmente,
non occorrono le induttanze limitatrici.
La batteria di condensatori è
direttamente collegata alla rete tramite
gli apparecchi di manovra scelti in
funzione della tensione, potere di
interruzione e corrente termica.
■ la corrente di inserzione Ie deve
essere inferiore al potere di chiusura
dell’apparecchio di manovra, per il
numero di manovre considerato.
Batteria a gradini
Le induttanze di collegamento tra le
singole batterie di condensatori (sbarre,
cavi) sono generalmente molto piccole.
La limitazione del valore di picco della
corrente di inserzione, per mezzo di
apposite induttanze limitatrici poste in
serie ai singoli gradini, è necessaria
per:
■ non superare le 100 volte la corrente
nominale della batteria Icapa.
■ non superare il potere di chiusura
dell’apparecchio di manovra.
fig. 12
Dimensionamento termico
dell’apparecchiatura
Un apparecchio è caratterizzato, tra
l’altro, dalla corrente nominale (corrente
termica) che corrisponde a un
riscaldamento accettabile delle sue
parti . Quando questi apparecchi
comandano e/o proteggono dei
condensatori, si deve tener conto del
fatto che l’effettivo valore efficace della
corrente assorbita può essere
superiore a quella indicata come dato
di targa della batteria.
I condensatori di potenza sono quindi
progettati per sopportare in modo
permanente fino a 1,3 volte il valore di
targa della corrente. Di conseguenza
anche l’apparecchiatura di manovra
deve essere scelta tenendo conto di
questo sovraccarico termico, causato
dalla presenza di armoniche di corrente
di frequenza superiore alla frequenza
industriale.
fig. 13
MERLINI GERIN - Dossier Tecnico n° 6
4. Problemi dell’apparecchiatura e relative soluzioni tecniche
In generale, come apparecchi di
manovra possono essere utilizzati:
■ interruttori, interruttori di manovra,
e contattori nel caso di gradini multipli.
■ interruttori, con funzione anche di
protezione, nel caso di batterie singole
e per la protezione generale delle
batterie multiple (fig. 14)
Principali aspetti tecnici
I principali aspetti tecnici riguardanti
l’apparecchiatura da utilizzare su
batterie di condensatori sono riassunti
qui di seguito:
La corrente di inserzione
La corrente di inserzione di una batteria
di condensatori, a differenza di quanto
avviene all’inserzione degli altri tipi di
carico, è caratterizzata da una
frequenza dell’ordine dei kHz.
In questa condizione l’interruttore è
sottoposto ad una serie di picchi di
corrente durante il periodo di prearco,
che comporta un’usura dei contatti
nettamente maggiore rispetto alle
condizioni di impiego normali.
L’interruzione
I principali fenomeni relativi
all’interruzione sono già stati trattati
in precedenza (paragrafo “Fenomeni
elettrici legati all’interruzione”).
Nel caso in cui l’apparecchio assolva
anche la funzione di protezione,
si devono considerare le sollecitazioni
relative all’interruzione della corrente
di cortocircuito.
Sovraccarichi dovuti alle armoniche
I carichi non lineari (es.: forni ad arco,
circuiti ferromagnetici saturi) ed i
convertitori statici, danno luogo a
sensibili armoniche di corrente a cui
conseguono delle distorsioni nell’onda
di tensione.
Nel caso dei condensatori, la corrente
è proporzionale alla frequenza, quindi
ad armoniche di ordine n e di valore
relativo x.%, e vale :
I = UCnω = I50Hz 1 + (n x)2
con U = U50Hz 1 + x 2
Il coefficiente di sovraccarico è :
1 + (n x)2
1+ x2
MERLINI GERIN - Dossier Tecnico n° 6
fig. 14
Le norme IEC 70 e IEC 871, relative ai
condensatori, prescrivono un
coefficiente di sovraccarico del 30%
(corrispondente a n=5 e x=17%).
Se In è la corrente di servizio continuo
dell’apparecchio, la corrente capacitiva
massima a 50 Hz che potrà transitare,
è quindi uguale a :
Icapa = 0,7 In
In (A)
630
1250
2500
3150
Icapa (A)
440
875
1750
2200
Durata meccanica
L’apparecchiatura destinata al
comando e alla protezione delle
batterie di condensatori deve
manovrare parecchie volte al giorno; è
quindi necessario che abbia, oltre ad
una adeguata durata elettrica, anche
una buona durata meccanica.
Soluzioni costruttive
Pertanto, agli effetti della durata
elettrica, si deve tener conto del valore
di cresta delle correnti di inserzione
e del relativo numero di manovre.
Ad una buona vita elettrica concorre,
oltre ad un buon progetto globale
dell’interruttore, anche l’utilizzazione
di materiali sinterizzati a base
di tungsteno sui contatti rompiarco
e l’impiego del gas SF6, caratterizzato
da una struttura molecolare stabile
e tale da garantire nel tempo un buon
funzionamento.
La robustezza e la semplicità degli
apparecchi permettono di compiere,
in generale, un numero di manovre 5
volte maggiore a quello richiesto dalla
norma IEC 56.1987, ossia 10.000
manovre.
L’insieme degli apparecchi NMG
è adatto a manovrare i banchi di
condensatori in conformità alle norme
IEO ed ANSI.
Le prestazioni sono riportate in schede
tecniche che forniscono, ad esempio,
alcune caratteristiche di interruttori di
manovra, contattori ed interruttori,
riportate in allegato 1.
Per rispondere a tutti questi problemi,
Merlin Gerin privilegia la
tecnica di interruzione in SF6.
Poiché la rigidità dielettrica di questo
gas è molto superiore a quella dell’aria,
l’interruzione di correnti capacitive
avviene senza riaccensioni né
riadescamenti anche con una
pressione di SF6 relativamente bassa
(≤ 2,5 bar).
La tenuta dielettrica all’apertura non è
legata alle sollecitazioni subite nella
precedente chiusura.
L’usura dei contatti è principalmente
dovuta alla sovracorrente che si verifica
all’inserzione (l’usura dovuta
all’apertura è infatti trascurabile).
9
Apparecchiatura di manovra
per le batterie di condensatori MT
Norme
Norme IEC
La norma IEC 56.1987 indica le
modalità di prova per la chiusura
e l’interruzione di correnti capacitive
(equivalente della norma CEI 17-1).
Sono previsti 2 circuiti di prova:
■ circuito A: impedenza del circuito
di alimentazione tale che la corrente
di cortocircuito sia inferiore o uguale al
10% del potere di interruzione nominale
di cortocircuito;
■ circuito B: impedenza del circuito
di alimentazione tale che la corrente
di cortocircuito sia dell’ordine del potere
di interruzione nominale di cortocircuito
dell’interruttore.
Indicando con Ic il potere di
interruzione su batteria di condensatori,
sono prescritte 4 sequenze di prove
(fig. 15).
Ogni sequenza di prove deve
comprendere, a sua volta, 10 prove se
in trifase o 12 prove se in monofase.
Per quanto riguarda il potere di
chiusura su batterie di condensatori a
gradini, la norma IEC richiama i metodi
di calcolo delle correnti di inserzione e
indica l’ordine di grandezza della
frequenza propria di queste correnti:
da 2 a 5 kHz.
Norme ANSI
I documenti relativi sono:
ANSI C37-09-1979
ANSI C37-06
Definizione dei parametri di queste
norme:
■ V: tensione nominale massima
■ Isc: corrente di cortocircuito
■
A=
Isc
(vedi fig. 16)
Isc − Icapa
In ogni sequenza è tollerata una
riaccensione, se non ha luogo oltre un
terzo di periodo dopo l’estinzione
(cioè 5,5 ms).
Numero di operazioni: 24 aperture
ripartite nel seguente modo:
■ 12 O da 0° a 180° con 2 O ogni 30°.
■ 6 O con tempo d’arco minimo 1° fase
che interrompe a ± 7,5°.
■ 6 O con tempo d’arco massimo
1° fase che interrompe a ± 7,5°.
Valore di Icapa (vedi fig. 17).
Parametri di prove nel caso di batterie
a gradini (fig. 18).
10
sequenza di prova
circuito
di alimentazione
corrente di prova
in % di Ic
1
2
3
4
A
A
B
B
da 20 a 40
non inferiore a 100
da 20 a 40
non inferiore a 100
fig. 15
Sequenza per un'apparecchiatura trifase
sequenza
n° sequenza tensione
batteria singola
1A
batteria singola
1B
batteria a gradini
2A
batteria a gradini
2B
2V
1+A
2V
1+A
2V
1+A
2V
1+A
% Icapa
numero di
operazioni
30
24 O
100
24 CO
30
24 O
100
24 CO
fig. 16
In (A)
1200
2000
3000
Icapa max (A)
interruttore interno
630
1000
1600
interruttore esterno
400
400
400
interruttore interno
Ie (kÂ)
fe (kHz)
15
≤ 2,0
25
1,3
interruttore esterno
Ie (kÂ)
fe (kHz)
20
4,2
20
4,2
fig. 17
In (A)
≤ 2000
3000
fig. 18
MERLINI GERIN - Dossier Tecnico n° 6
5. Calcolo delle correnti di chiusura
e delle induttanze di limitazione
Introduzione
■ Definizione dei simboli utilizzati
(vedi § 1 pag. 3).
■ L’apparecchiatura si suppone scelta
per i calcoli che seguono, in funzione
delle tensioni e correnti nominali
(con In ≥ 1,3 Icapa), del potere
di interruzione, ecc.
Batteria singola
Potenza Q = U2 ωC = 3 U Icapa
■ Corrente di cresta di chiusura:
■
1
1
Scc
Icapa 2 = Icapa 2
Q
LoC ω
Ie =
⋅
Lo=induttanza di alimentazione
Scc=potenza di cortocircuito della rete
■ Frequenza propria d’oscillazione:
fe =
n gradini (identici) inseriti quando
chiude l’ n+1esimo
■ Potenza unitaria :
■
U2
ω
200 10 6
Q − Scc
con : L in
U
Q
Scc
■
Corrente di cresta di chiusura :
Ie =
2
n
C
n fe
U
= Icapa 2
3 n+1 l
n+1 f
: induttanza di collegamento (con
buona approssimazione si può
assumere 0,5 µH/m per sbarre o cavi
MT).
■ Frequenza propria d’oscillazione :
l
1
2π
l
C
Le induttanze di collegamento fra le
differenti batterie sono generalmente
molto modeste (dell’ordine dei µH).
L’impiego di una induttanza di
limitazione in serie alla batteria (vedi
fig. 20) è necessario per limitare le
correnti di chiusura.
■ Calcolo dell’induttanza di limitazione
L (il valore di l aggiunto a L è
trascurabile).
1º condizione
Ie >100Icapa (limite dei condensatori)
Assumere :
2
2 2
n 2 ⋅ 10 U
L≥
n + 1
ω
Q
µH
kV
MVAr
MVA
2º condizione
Ie > Ich.max. corrente di cresta
massima dell’apparecchio (indicata
nella tabella 2).
Assumere :
fig. 20
Q = U2 ωC = 3 U Icapa
fe =
1º condizione
Ie >100Icapa (limite dei condensatori)
Assumere:
L≥
Batteria a gradini
1
2π LoC
In generale, non è necessario l’utilizzo
dell’induttanza limitatrice, tranne nel
caso di Scc elevata e Q bassa; la
corrente di cresta deve essere quindi
limitata per:
❑ i condensatori se Ie >100Icapa
❑ l’apparecchiatura di manovra
■ Calcolo dell’induttanza di limitazione
L (aggiunta a Lo).
L≥
3º condizione
Combinazione della 1º condizione + 2º
condizione. Considerare per L il più
grande valore trovato.
2º condizione
Ie > Ich.max. corrente di cresta
massima dell’apparecchio (indicata
nell’allegato 2).
Assumere :
2
6
Q
n 2 ⋅ 10
L≥
n + 1
3ω (Ich.max.)2
con:
■ n: numero di gradini in servizio
quando chiude l’n+1esimo.
■ Q: potenza della batteria espressa
in MVAr.
■ Ich.max.: potere di chiusura
dell’apparecchio su batterie di
condensatori, espresso in kÂ.
■ U: tensione in kV.
■ L: induttanza di limitazione in µH
3º condizione
Combinazione della 1º condizione +
2º condizione. Considerare per L il più
grande valore trovato.
Le induttanze di limitazione
Le induttanze devono essere adatte
alle esigenze dell’impianto.
A titolo di esempio, i principali
parametri da considerare per la loro
scelta sono i seguenti :
■ installazione: per interno o esterno
■ corrente nominale: da 1,3 In
■ tolleranza sul valore di induttanza:
0+20%
■ tenuta elettrodinamica: Icc di cresta
al punto di collegamento alla rete.
Le induttanze utilizzate sono in aria
senza nucleo magnetico. I valori più
frequentemente utilizzati sono: 50, 100
o 150 µH.
Nota: Una pagina di sintesi dei calcoli
delle correnti di chiusura, nel caso di
batteria singola e batteria a gradini, è
riportata in appendice.
U2
106
2Q
−
ω 3(Ich.max.)2 Scc
con : L in
U
Q
Ich.max.
µH
kV
MVAr
kÂ
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11
Apparecchiatura di manovra
per le batterie di condensatori MT
6. Appendice
Tabelle di scelta per
l’utilizzazione
dell’apparecchiatura MT
Merlin Gerin
Nella tabella 1 sono riportate le
principali caratteristiche delle
apparecchiature di media tensione
previste per la manovra e la protezione
delle batterie di condensatori. Le varie
prove effettuate in laboratorio ed i
calcoli teorici sull’usura dei contatti
secondo la legge di Weibull, ci
permettono di garantire un elevato
numero massimo di manovre per ogni
apparecchiatura, in funzione del valore
di corrente di chiusura (vedi tabella 2 ).
La frequenza d’oscillazione ha poca
influenza sull’usura dei contatti e sul
comportamento dell’apparecchio.
Tabella 1: caratteristiche principali dell’apparecchiatura MT
interruttori
potere di interruzione
corrente nominale
SF1
20 kA / 17,5 kV
16 kA / 24 kV
12,5 kA / 36 kV
400 e 630 A
potere di interruzione
su batterie di condensatori
440 A
GI
31,5 kA / 12 kV
25 kA / 36 kV
50 kA / 7,2 kV
40 kA / 24 kV
31,5 kA / 36 kV
da 630 a 1600 A
da 500 a 1000 A
da 1250 a 4000 A
da 1000 a 3150 A
50 kA / 7,2 kV
40 kA / 12 kV
20 kA / 24 kV
10 kA / 7,2 kV
8 kA / 12 kV
da 630 a 4000 A
da 400 a 630 A
400 A
240 A
GL
VO
Rollarc
(contattore)
12
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Tabella 2: scelta dell'apparecchiatura MT in relazione alla durata elettrica
interruttori
numero massimo
di manovre: Nmax
Ich. corrispondente
a Nmax - kAcresta
numero di manovre
alla Ich.max
Iencl.max.
kAcresta
GI
GL
SF1
VO
Rollarc
(contattore)
10.000
10.000
10000
10.000
300.000
10
13
10
10
2
3.500
2.500
3.500
3.500
10.000
15
25
15
15
8
Nota: le caratteristiche complete dell'apparecchiatura MT sono riportate nei cataloghi tecnici.
fig. 21
fig. 21
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Apparecchiatura di manovra
per le batterie di condensatori MT
Tabella 3: calcolo delle correnti di chiusura
potenza della batteria
batteria singola
batteria frazionata (caso di gradini uguali)
Lo = induttanza di cortocircuito della rete
Scc = 3UIcc con U / 3 = LoωIcc
n = numero di gradini in servizio
quando si inserisce l'n+1esimo
l=induttanza limitatrice (0,5 µH/m)
Q = U2Cω = 3UIcapa
Q = U2Cω = 3UIcapa;
Q= potenza di ciascun gradino
corrente di picco di chiusura
1
1
Scc
⋅ Icapa 2 = Icapa 2
Q
LoC ω
Ie =
Ie =
2
n
C
n fe
U
= Icapa 2
3 n+1 l
n+1 f
frequenza propria d'oscillazione
fe =
1
fe =
1
2π LoC
100 Icapa
vedi tabella 2
2π l C
100 Icapa
vedi tabella 2
In ≥
coefficiente di sovratensione (lato rete)
Icapa
0, 7
2 p.u.
coefficiente di sovratensione (lato batteria)
2 p.u.
induttanza limitatrice
in generale, non si utilizza l'induttanza
limitatrice (tranne nel caso di Scc elevata
e Q bassa)
corrente di picco massima della batteria
durata elettrica dell'apparecchiatura
corrente nominale dell'apparecchiatura
In ≥
calcolo dell'induttanza limitatrice
L≥
106
ω
U2
2Q
−
2
Scc
3(Ich.max.)
Icapa
0, 7
n+2
p.u.
n+1
2n
p.u.
n+1
in generale, è necessario utilizzare
l'induttanza limitatrice
L≥
2
2 ⋅ 106 Q n
1
⋅
3 ω n + 1 (Ich.max.)2
Nota: per la definizione dei simboli utilizzati vedere pag. 3.
L:
µH
Q:
MVAr
Scc:
Ich.max.:
14
MVA
kÂ
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7. Bibliografia
Norme
IEC 56, 1987
CEI 17.1, 1990
ANSI C37-09, 1979
ANSI C37-06, 1979
Pubblicazioni
Economic optimisation of capacitor
banks. C.G. POUZOLS
pubblicazione Merlin Gerin
Electra n° 62
Circuit-breaker stresses when
switching back - to - back capacitor
banks
Electra n° 87
Requirements for capacitive current
switching tests emploing synthetic
test circuit for circuit-breakers without
shunt resistors
Prescrizioni ENEL
Doc. Unificazione Dy 1501
Rapporti di prova CESI
su interruttori Merlin Gerin
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Apparecchiatura di manovra
per le batterie di condensatori MT
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Schneider Electric S.p.A.
20041 AGRATE (MI) Italia
Tel. 039 6558111
Fax 039 6056900
www.schneiderelectric.it
In ragione dell’evoluzione delle Norme e dei materiali, le
caratteristiche riportate nei testi e nelle illustrazioni del presente
documento si potranno ritenere impegnative solo dopo
conferma da parte di Schneider Electric.
