Dossier tecnico n° 3
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Dossier tecnico n° 3 Protezione degli impianti per mezzo del Sistema di Selettività Logica Protezione degli impianti per mezzo del Sistema di Selettività Logica Dossier Tecnico n° 3 Redatto a cura dell'attività protezione e controllo Indice Introduzione 2 Procedimenti classici di selettività e loro limiti La selettività amperometrica 2 La selettività cronometrica 3 La selettività logica Principio del sistema di selettività logica Applicazione della selettività logica al Sepam Realizzazione della selettività logica Alcuni schemi d'applicazione della selettività logica 5 Vantaggi della selettività logica 8 4 6 7 1 Guida alle protezioni di media tensione 1. Introduzione L'intervento delle protezioni elettriche è sempre un evento traumatico che non solo determina la messa fuori servizio di parti più o meno importanti dell'impianto, ma molto spesso lascia nella confusione il personale addetto alle operazioni di emergenza. Solo l'elemento di protezione (interruttore o fusibile) che è installato immediatamente a monte della parte di circuito dove si produce il guasto deve intervenire, mentre le altre protezioni, pur rilevando la situazione di guasto, devono agire di rincalzo. Un guasto che si produce in un punto qualunque di un impianto di distribuzione non deve in alcun modo privare di energia elettrica l'insieme dell'installazione. Questo non solo permette di limitare le zone dell'impianto che vengono escluse dall'alimentazione, ma consentirà, successivamente, un più rapido riconoscimento del punto di guasto e quindi un più veloce ripristino delle condizioni di normale funzionamento da parte degli operatori addetti alla manutenzione. Da questa evidenza risulta la necessità di isolare rapidamente la parte guasta senza privare di energia in modo indiscriminato gli altri utilizzatori: questo è il principio che sta alla base della selettività degli interventi. I procedimenti classici di selettività (amperometrica e cronometrica) permettono di rispondere a questa esigenza più o meno correttamente. Il Sistema di Selettività Logica (brevetto Merlin Gerin) permette di ottenere una selettività totale tra tutti gli stadi di un impianto di distribuzione elettrica, industriale o terziaria, dall'alta alla bassa tensione. Inoltre permette l'eliminazione del guasto in un intervallo di tempo molto ridotto e indipendente dalla localizzazione del guasto stesso. Il presente dossier introduce la nozione di selettività logica fornendo i concetti base sui quali essa si fonda ed evidenziando i vantaggi offerti rispetto alla selettività cronometrica e amperometrica; tali argomenti saranno ripresi in successivi dossier. 2. Procedimenti classici di selettività e loro limiti La selettività amperometrica Essa implica l'installazione di apparecchiature di protezione istantanee (interruttori rapidi o fusibili). Il suo principio è basato sul fatto che il valore della corrente di cortocircuito è tanto più elevato quanto più il guasto è vicino alla sorgente di energia. Sullo schema di figura 1, sono indicati con Ir i valori di regolazione dell'intervento istantaneo e con IccA il valore massimo della corrente di corto-circuito che può manifestarsi nel punto A e sapendo che si ha intervento solo quando Iguasto > Ir se: ■ IrD2 > IccA > IrD1, la selettività è totale; ■ IccA > IrD2, la selettività amperometrica non è totale ma parziale, perché l'intervento delle protezioni sarà selettivo soltanto se: Iguasto < IrD2. 2 Questo procedimento di selettività risulta purtroppo applicabile soprattutto in bassa tensione dove le impedenze di linea non sono trascurabili, mentre in media tensione si potrà utilizzare solamente nella selettività tra le protezioni poste a monte e a valle di trasformatori. selettività assicurata se: IrD1 < Iguasto < IrD2 selettività non assicurata se: IrD2 < Iguasto < IccA fig. 1: selettività amperometrica parziale. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 3 La selettività cronometrica Iguasto Consiste nel ritardare il funzionamento della protezione a monte affinché la protezione a valle abbia il tempo di isolare la partenza guasta. Lo scarto minimo richiesto tra le temporizzazioni di due protezioni successive è dato dal tempo di apertura dell'interruttore a valle incrementato del tempo di diseccitazione della protezione a monte (cfr. fig. 2). In questo modo la selettività totale può essere ottenuta soltanto ritardando le protezioni con temporizzazioni tanto più lunghe quanto più le apparecchiature sono prossime della sorgente di energia. Nell'esempio della figura 3 gli interruttori D1 hanno intervento istantaneo, gli interruttori D2 sono ritardati di 0,3 s, gli interruttori D3 di 0,6 s, e gli interruttori D4 di 0,9 s. Una conseguenza nefasta di questi ritardi scaglionati è il ritardo molto elevato con cui avviene l'apertura del circuito in caso di guasto a monte dell'installazione, nell'esempio precedente 0,9 s sulla sbarra A. soglia tempo T2 tiD2 trD2 tiD1 T1 taD1 tiD1, tiD2 : tempi d'inerzia delle protezioni in D1 e D2 T1, T2:temporizzazioni delle protezioni in D1 e D2 taD1: tempo di apertura interruttore in D1 trD2: tempo di ricaduta protezione in D2 selettività cronometrica: T2-trD2 • T1 + ta D1 scarto tra le temporizzazioni: T2-T1 • taD1 + trD2 fig. 2: selettività cronometrica. Al livello della sorgente di energia questo ritardo diviene eccessivo e presenta diversi inconvenienti: ■ spesso è incompatibile con le imposizioni dell'ente distributore di energia che domanda un tempo di intervento breve a livello dell'interruttore generale dell'utente; ■ impone un sovradimensionamento termico dei cavi e dei quadri; ■ accresce considerevolmente i danni dovuti ad un guasto. fig. 3: distribuzione radiale con impiego della selettività cronometrica. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 3 3 Guida alle protezioni di media tensione 2. La selettività logica Le selettività amperometrica e cronometrica creano, come appena visto, alcuni problemi. Gli elettrotecnici hanno imparato ad aggirarli.... spesso a scapito della selettività stessa. Il Sistema di Selettività Logica è stato sviluppato con l'obiettivo di rimediare a questi inconvenienti; questi permette di ottenere la selettività tra più protezioni ottimale e, inoltre, di ridurre considerevolmente il ritardo di intervento degli interruttori situati più vicino alla sorgente. Principio del sistema di selettività logica Quando si verifica un guasto in un impianto radiale, la corrente di guasto percorre il circuito situato tra la sorgente e il punto di guasto stesso: ■ le protezioni a monte del punto di guasto sono sollecitate; ■ le protezioni a valle del punto di guasto non sono sollecitate; ■ solo la prima protezione a monte del guasto deve intervenire. Ad ogni interruttore è associata una protezione in grado di emettere e ricevere un ordine di attesa logica. Quando una protezione è sollecitata da una corrente di guasto: ■ emette un ordine di attesa logica verso le protezioni poste a monte; ■ provoca l'intervento dell'interruttore associato se non riceve ordine di attesa logica dalle protezioni poste a valle. La figura 4 descrive in maniera semplificata una distribuzione radiale (si è rappresentato un solo interruttore per quadro). Funzionamento in caso di guasto al punto A della figura 4 ■ le protezioni in D1, D2, D3...DN sono sollecitate; ■ la protezione in D1 emette un ordine di attesa logica verso monte e un ordine di apertura all'interruttore D1; ■ le protezioni in D2, D3...DN emettono un ordine di attesa logica da valle verso monte e ricevono un ordine di attesa logica che impedisce loro di impartire l'ordine di apertura agli interruttori associati (il ragionamento si interrompe quando la protezione DN ha una regolazione tale per cui la corrente di guasto non raggiunge la sua soglia di intervento Ir). L'interruttore D1 elimina il guasto in A nell'intervallo di tempo: TD1=T1(1) + taD1 + tiD1 con: T1(1): temporizzazione (ritardo) della protezione in D1, taD1: tempo di apertura dell'interruttore D1, tiD1: tempo d'inerzia della protezione in D1. 4 Funzionamento in caso di guasto al punto B di figura 4 ■ la protezione in D1 non è sollecitata; ■ le protezioni in D2, D3...DN sono sollecitate ed emettono un ordine di attesa logica verso monte; ■ solo la protezione D2 non riceve alcun ordine di attesa logica ed emette un ordine di apertura. L'interruttore in D2 elimina il guasto in B nell'intervallo di tempo: TD2=T1(2) + taD2 + tiD2 con: T1(2): temporizzazione della protezione in D2, taD2: tempo di apertura dell'interruttore in D2, tiD2: tempo d'inerzia della protezione in D2. Lo stesso ragionamento può essere applicato a uno qualunque degli interruttori installati sull'impianto di distribuzione. Le temporizzazioni T1(1), T1(2)...T1(N) delle protezioni possono quindi essere ridotte fino ai limiti permessi dalle caratteristiche della protezione e dai transitori di messa in tensione delle macchine da proteggere (motori, trasformatori): queste temporizzazioni non sono condizionate da problemi di selettività. Con il sistema di selettività logica il tempo di eliminazione dei guasti può essere ridotto di molto ed è indipendente dal numero di protezioni in cascata. In questo modo è anche possibile ottenere la selettività tra una protezione istantanea a monte e una protezione temporizzata a valle: per esempio prevedere una temporizzazione più ridotta alla sorgente che vicino ai carichi. Nota: la funzione "attesa logica" corrisponde ad un incremento della temporizzazione della protezione a monte. Per motivi di sicurezza, la durata dell'attesa logica deve essere limitata e ciò permette alla protezione a monte di intervenire in soccorso della protezione a valle non funzionante (intervento di rincalzo). A questo proposito oltre alla temporizzazione di intervento T1(N) sono normalmente previste altre due temporizzazioni T2(N) : il ritardo T2 è quello massimo di presa in conto dell'attività logica da parte della protezione a monte (N+1) in caso di intervento della protezione a valle (N) T3(N) : è il tempo di permanenza dell'ordine di attesa logica dopo l'emissione del comando di apertura dell'interruttore associato. fig. 4: distribuzione radiale con impiego della selettività logica. fig. 5: rappresentazione dell'intervento delle diverse temporizzazioni. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 3 Applicazione della selettività logica al Sepam Il sistema di selettività logica si sposa in modo perfetto con le nuove protezioni basate sulla tecnologia numerica a microprocessore, come per esempio il Sepam o altre apparecchiature di protezione Merlin Gerin. Sepam è un'unità programmabile a microprocessore che assicura le funzioni di misura, protezione, automatismo e comunicazione per il controllo e comando degli impianti elettrici (cfr. fig. 6). Per utilizzare la selettività logica è sufficiente: ■ programmare le istruzioni logiche nella logica d'automatismo del Sepam (cfr. fig. 7), per questo si possono utilizzare una uscita e un ingresso qualunque di quelli disponibili; ■ realizzare i cablaggi dei circuiti d'attesa logica tra i Sepam degli interruttori del quadro e tra i diversi quadri, ricordando che ad una protezione possono giungere più segnali di attesa logica. fig. 6: Sepam, unità programmabile di protezione e controllo comando. Funzionamento (cfr. fig. 7) La sollecitazione della protezione di sovracorrente di un Sepam provoca: ■ l'emissione istantanea di un ordine di attesa logica, ■ l'interruzione dell'ordine di attesa logica dopo l'intervento dell'interruttore associato al Sepam. La ricezione da parte di un Sepam di un ordine di attesa logica provoca, per un periodo di tempo limitato, un ritardo dell'intervento per le funzioni di sovracorrente del Sepam. fig. 7: sottoprogramma di selettività logica del Sepam. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 3 5 Guida alle protezioni di media tensione Realizzazione della selettività logica Regolazioni delle temporizzazioni ■ delle protezioni La temporizzazione T1 di ogni protezione è calcolata in modo da essere insensibile alle normali o inevitabili sovracorrenti (che si possono avere all'atto della messa in tensione di trasformatori, avvio di motori) ed eliminare i guasti il più rapidamente possibile. La scelta della temporizzazione non è più limitata dai vincoli della selettività cronometrica: una protezione di cortocircuito con tempi molto ridotti può essere utilizzata, ad esempio, per la protezione dell'alimentazione di un quadro dove le partenze verso i carichi presentano protezioni di sovracorrente che possono essere temporizzate. ■ della selettività logica Essa comporta due temporizzazioni: ■ T 2 corrisponde alla durata massima di attesa da parte della protezione a monte, qualunque cosa succeda: T2 deve essere regolata a un valore pari a due volte il più lungo tempo di eliminazione di un guasto a valle; ■ T 3 corrisponde al tempo durante il quale bisogna mantenere l'attesa logica dopo il funzionamento della protezione (emissione del comando di apertura dell'interruttore): T3 deve essere regolata a un valore leggermente superiore al tempo di funzionamento dell'apparecchio di interruzione associato alla protezione. In funzione dei bisogni dell'utilizzatore e delle caratteristiche dell'impianto elettrico, l'utilizzazione della selettività logica può essere: ■ localizzata in una sola cabina, progressiva, realizzata quindi in tappe successive, in modo da estendersi da una cabina ad un'altra, in occasione dei periodici lavori di manutenzione sull'impianto, ■ globale, se essa è prevista sin dalla progettazione dell'impianto. ■ fig. 8: principio di cablaggio dei circuiti d'attesa logica. Nota: la limitazione della durata massima T2 dell'attesa logica è realizzata dalla protezione che riceve l'ordine di attesa logica. Principio del cablaggio dei circuiti di attesa logica (cfr. fig. 8) Impiego del sistema di selettività logica (cfr. fig. 9) La selettività logica può essere realizzata: ■ per le protezioni di corto-circuito e di guasto omopolare, ■ su tutta l'estensione dell'impianto, dall'alta tensione fino alle partenze principali della bassa tensione, ■ su un solo elemento di impianto, ad esempio su un quadro dove la selettività è parte integrante dell'equipaggiamento costruito e collaudato in fabbrica. fig. 9: esempio di regolazioni delle temporizzazioni delle protezioni di un quadro utilizzando la selettività logica. 6 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 3 Alcuni schemi di applicazione della selettività logica Il principio della selettività logica è stato esposto come applicazione in impianti a distribuzione radiale, ma altri schemi di distribuzione possono beneficiare della selettività logica: cavi in parallelo e distribuzione in anello. Cavi in parallelo Lo schema della figura 10 rappresenta due cabine connesse da due cavi in parallelo. Se si manifesta un corto-circuito al punto A, è necessario che si aprano gli interruttori in D2 e D4, e loro soltanto, in modo da isolare il cavo guasto e continuare ad alimentare la cabina. Per questo gli ordini di attesa logica scambiati dalle protezioni sono orientati per mezzo di relé direzionali. L'esame dello schema mostra che le protezioni associate agli interruttori da D0 a D4 vedono tutte il guasto: esse emettono dunque un ordine di attesa logica. Dal momento che il relé direzionale associato a D4 ha commutato, gli ordini di attesa logica sono trasmessi in modo che solo gli interruttori in D2 e D4 intervengano. fig. 10: cavi in parallelo, corto-circuito in A. Distribuzione in anello Lo schema della figura 11 descrive il principio di utilizzazione del sistema di selettività logica nel caso di distribuzione in anello utilizzando dei relé direzionali. Nota: la denominazione relé direzionale può indicare: ■ sia una protezione elettronica a tecnologia statica analogica, in grado di realizzare la selettività logica ■ sia una funzione programmata in una protezione a tecnologia numerica a microprocessore come il Sepam. emissione attesa logica ricezione attesa logica fig. 11: anello chiuso, corto-circuito in A. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 3 7 Guida alle protezioni di media tensione 3. Vantaggi della selettività logica Oltre alla selettività di intervento delle protezioni, che è la funzione principale del sistema, la rapidità di intervento ottenuta permette di ridurre le esigenze di tenuta al corto-circuito dei conduttori, delle apparecchiature, dei trasformatori di corrente, ecc...in termini economicamente apprezzabili. Questo procedimento di selettività è molto sicuro: un mancato funzionamento non può, in alcun caso, estendersi all'insieme dell'impianto. Il vantaggio più importante della selettività logica, rimane comunque quello di permettere di ottenere tempi di intervento non cumulati sull'insieme dell'impianto, dalle partenze principali della bassa tensione fino all'alta tensione. 8 Di realizzazione poco complessa, la selettività logica si adatta senza difficoltà tanto alle installazioni in corso di progettazione che a quelle già esistenti. In effetti essa permette successive estensioni senza modificare le regolazioni già adottate e necessita di un semplice cavetto di collegamento tramite doppino tra quadro a valle e quadro a monte per trasmettere le informazioni logiche. Inoltre, essendo il sistema indipendente dal numero di livelli protetti, la progettazione degli impianti è effettuata in funzione dei bisogni reali dell'utilizzatore e non in funzione delle esigenze del distributore. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 3 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.
