Protezioni

1. 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.

2. 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.

3. 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).

4. 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;

5. 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;

6. 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.

7. 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).

8. Tipologe di relé • Le principali tipologie di relè sono: • relè elementari ad azione elettromagnetica; • relè elementari a induzione; • relè a bilancia.

9. Relé ad azione elettromagnetica • L'equazione di equilibrio del relè è: • Utilizzazione: come relè amperometrici: • Utilizzazione: come relè voltmetrici:

10. Relé ad induzione • L'equazione di equilibrio del relè è: • Utilizzazione: come relè direzionali wattmetrici o varmetrici (flussi di potenza attiva/reattiva).

11. Relé wattmetrici ad induzione • Se 1 è proporzionale a jV e 2 è proporzionale a I si ottiene: • Se si annulla la coppia resistente CR lo strumento diventa sensibile alla direzione della potenza attiva nell'elemento in cui è inserito (linea)

12. 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

13. Relé wattmetrici ad induzione • Dalla equazione di equilibrio • Dividendo per I2 si ha • Poiché ' è costante, l'ultima relazione rappresenta sul piano R-X la caratteristica di un relè direzionale. Tale caratteristica rappresenta una retta in corrispondenza della quale la coppia dello strumento è nulla.

14. Relé wattmetrici ad induzione • Caratteristica di un relé wattmetrico a induzione

15. Relé a bilancia • L'equazione di equilibrio del relè è: • Utilizzazione: come relè a impedenza.

16. Relé a impedenza • Può essere realizzato con un relè a bilancia imponendo: • L'equazione di equilibrio diventa quindi • Da cui

17. 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.

18. 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).

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. Protezioni distanziometriche Osservazione • Per quanto riguarda l'angolo ' del relè distanziometrico, ai fini di avere la coppia massima sullo strumento sarebbe opportuno che risultasse: • 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.

24. 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).

25. 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).

26. 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.

27. 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).

28. 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).

29. 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.

30. 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..

31. 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.

32. 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.

33. Sicurezza di intervento • La misura dell'impedenza di guasto è generalmente affetta da errori elevati (2030%) 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'8085% e si parla quindi di primo gradino accorciato.

34. 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.

35. 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.

36. 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).

37. 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).

38. 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).

39. 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 0.30.5 sec; • lenta, con attese di 2060 sec.

40. 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.

41. 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

42. 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.

43. Protezioni per reti radiali • Le protezioni possono essere a tempo dipendente o a tempo indipendente.

44. 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 correnteper guasti polifase; • direzionale di terraper guasti monofase a terra; • tensione omopolare di sbarraper guasti sulla sbarra MT di stazione.

45. 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

46. Protezioni direzionali di terra • Con i versi dei riferimenti assunti si ha • 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 • Ciò significa che le correnti omopolari nelle linee sane sono in opposizione di fase con la corrente omopolare nella linea guasta.

47. Protezioni direzionali di terra

48. 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 0.10.3 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 12 sec.