PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI PROTEZIONE L'APPROCCIO THYTRONIC

Transcript

1 PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI PROTEZIONE L'APPROCCIO THYTRONIC ing. Massimo Ambroggi Responsabile Service Tecnico THYTRONIC S.p.A. (MI)

2 PREMESSA La tecnologia dei relè di protezione per le reti elettriche evolve, i relè di protezione vengono dotati di nuovi principi di misura e di un numero di sempre maggiore di funzioni in una singola unità, sia propriamente di protezione sia di monitoraggio, regolazione, controllo, comunicazione, registrazione. I requisiti primari di un sistema di protezione restano tuttavia invariati: non intervenire intempestivamente durante il funzionamento ordinario della rete elettrica, intervenire correttamente quando richiesto, il più rapidamente ed in modo più selettivo possibile. Non è sufficiente impiegare moderni relè di protezione digitali multifunzione per conferire al sistema di protezione tali requisiti: è necessario un progetto del sistema di protezione per identificare modello - funzioni protettive - punti di installazione - schemi di collegamento - criteri di coordinamento - regolazioni dei relè di protezione, posizionamento e caratteristiche dei trasformatori di misura (che sono parte integrante del sistema di protezione), in funzione delle caratteristiche di ciascun impianto, delle relative modalità di esercizio e delle esigenze di continuità del servizio. 1

3 PRINCIPALI FATTORI CHE OSTACOLANO UNA CORRETTA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI PROTEZIONE Il progetto del sistema di protezione è parte integrante della progettazione elettrica di ogni impianto. Tuttavia, a causa delle conoscenze specialistiche che la materia richiede e non sempre riscontrabili tra gli Studi Tecnici/Società di engineering di progettazione elettrica, viene di fatto considerato come un progetto a se stante o addirittura ignorato. Ciò riguarda principalmente le reti elettriche di utenza (presso i Distributori di energia elettrica esistono invece Divisioni specializzate che ben progettano i propri sistemi). Non ultima la complessità dei moderni relè digitali: a titolo esemplificativo basti pensare che per una moderna protezione di massima corrente sono disponibili circa 70 parametri di regolazione!!! 2

4 PRINCIPALI FATTORI CHE OSTACOLANO UNA CORRETTA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI PROTEZIONE Conseguenze: - se non esplicitamente richiesto, il progetto non viene affrontato (evitandone i costi correlati), - si ritiene di realizzare il progetto mediante RDO di relè di protezione ai relativi costruttori, fornendo come elementi di input offerta del modello più economico più evoluto più venduto quello più completo così non mancherà nulla quello sempre acquistato così non incontrerò difficoltà...ecc ecc - se ne delega l elaborazione al costruttore dei quadri elettrici o all installatore, - si acquistano relè di protezione senza alcun progetto, si installano e la definizione delle relative regolazioni viene lasciata a cura del costruttore dei quadri elettrici, dell installatore, del verificatore o del committente (o peggio e non raramente, la regolazione delle protezioni non viene mai effettuata). 3

5 PRINCIPALI FATTORI CHE OSTACOLANO UNA CORRETTA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI PROTEZIONE Mancanza di una corretta definizione preliminare del sistema di protezione nell ambito dei capitolati/specifiche tecniche a causa di: - scarsa conoscenza della materia, - sottovalutazione dei rischi conseguenti, - la si rimanda alla fase esecutiva della progettazione per scarsa disponibilità di tempo/competenze, - la si ritiene affrontata indicando negli schemi le classiche protezioni N a prescindere dalle caratteristiche della rete elettrica, - la si ritiene affrontata specificando relè equipaggiati con il maggior numero possibile di funzioni, molto spesso non pertinenti con l applicazione, generando costi inutili che potrebbero invece essere sostenuti per commissionarne la specificazione a specialisti in materia, - copia-incolla da altri capitolati/specifiche tecniche. 4

6 PRINCIPALI FATTORI CHE OSTACOLANO UNA CORRETTA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI PROTEZIONE La mancanza di un progetto del sistema di protezione o comunque una progettazione affrontata in modo superficiale/non specialistico sono del tutto ingiustificate in quanto: contribuisce alla riduzione di sicurezza delle persone e degli impianti Comporta l aumento del numero di interventi intempestivi (sia in assenza di guasti sulla rete elettrica sia come interventi non selettivi a fronte di guasti) e dei danni economici derivanti dai conseguenti disservizi. Il costo correlato con la progettazione del sistema di protezione è trascurabile rispetto ai costi complessivi di un impianto. Spesso il costo di un sistema di protezione realizzato senza un accurata progettazione è superiore a quello che si otterrebbe con una corretta progettazione. 5

7 ALCUNE STATISTICHE 6

8 ALCUNI TRA I PIU FREQUENTI ERRORI DI PROGETTAZIONE Impiego di protezioni contro i guasti a terra basate sulla misura di corrente omopolare (51-67N) e mancanza di protezione di massima tensione omopolare (59N) in reti a neutro isolato con correnti di guasto a terra di pochi ampere (es. reti industriali MT alimentate da propria sottostazione AT/MT, reti MT nel funzionamento in isola da cogenerazione o in emergenza da gruppi elettrogeni). Impiego di protezioni 51N anziché 67N in reti con lunghe linee MT a valle, con soglia di intervento da regolare (per ragioni di sensibilità) a valori inferiori al contributo capacitivo delle linee a valle. Impiego di protezioni di massima corrente rapide (50) sensibili al contributo di generatori/motori ai cortocircuiti esterni (anziché direzionali di fase 67). Sistemi di protezione di reti elettriche di utenza, allacciate alla rete pubblica con elevato numero di relè in cascata, privi di selettività logica (selettività cronometrica non conseguibile a causa delle limitazioni imposte dal Distributore ai tempi di eliminazione dei guasti, selettività amperometrica non applicabile tra protezioni sullo stesso livello di tensione non essendovi significative impedenze). Protezioni di massima corrente in reti in cui le correnti di pieno carico sono dello stesso livello o superiori alle correnti di cortocircuito di generatori sincroni. 7

9 ALCUNI TRA I PIU FREQUENTI ERRORI DI PROGETTAZIONE Protezioni contro i guasti a terra che comandano l apertura di interruttori in reti a neutro isolato, appositamente progettate per funzionare anche durante un primo guasto a terra per ragioni di massima continuità di servizio. Reti esercite in anello chiuso ed impiego di protezioni 51N-67N ad alta sensibilità (rischio di scatti intempestivi in quanto la corrente omopolare misurata in un anello chiuso può essere non nulla anche in assenza di guasti a terra, per effetto della dissimmetria di impedenza delle tre fasi e/o dei carichi squilibrati) Protezioni 51N o 67N ad alta sensibilità con corrente omopolare misurata sul ritorno di tre TA di fase (inserzione holmgreen) anziché mediante toroide sommatore. TV privi di resistenza antiferrorisonanza (o non antiferrorisonanti). TA con fattore limite di precisione non sufficiente (rischio di non intervento o di intervento ritardato delle protezioni, a causa della deformazione di forma d onda dovuta alla saturazione magnetica del TA). 8

10 ALCUNI TRA I PIU FREQUENTI ERRORI DI PROGETTAZIONE TA con tenuta al cortocircuito inferiore a quella del quadro elettrico in cui sono installati. Strumenti di misura e relè di protezione connessi in serie sullo stesso secondario del TA avente classe per protezione (rischio di danneggiamento dello strumento di misura a fronte delle correnti di cortocircuito, rischio di interruzione del circuito secondario dei TA con pericolose sovratensioni e mancato intervento della protezione). Impiegare TA distinti oppure TA a doppio secondario (per misura dedicato agli strumenti, per protezione dedicato al relè) oppure un unico TA induttivo o elettronico avente sia classe per misura sia per protezione (es. 0,5-5P) impiegando il relè anche come strumento di misura. Relè di protezione connessi a TA aventi classe di precisione per misura (tranne alcuni casi in cui ciò è possibile essendo la corrente da rilevare nell ordine della corrente nominale del TA, occorre impiegare TA in classe per protezione in quanto i TA per misura saturano per correnti di poco superiori alla nominale). TV per relè di presenza tensione installati a valle dell interruttore. 9

11 L APPROCCIO THYTRONIC THYTRONIC, oltre alla progettazione, costruzione, vendita ed assistenza dei propri relè di protezione, dispone di un servizio specializzato per la progettazione dei sistemi di protezione degli impianti di distribuzione e generazione dell energia elettrica. L approccio THYTRONIC per la progettazione di un sistema di protezione consiste nell elaborazione dei seguenti studi applicativi: DEFINIZIONE DEL SISTEMA DI PROTEZIONE CALCOLO DELLE CORRENTI DI CORTOCIRCUITO DEFINIZIONE O VERIFICA DEI TRASFORMATORI DI MISURA (TA, TV) SCHEMI D INSERZIONE DELLE PROTEZIONI STUDIO DI COORDINAMENTO DELLE PROTEZIONI 10

12 DEFINIZIONE DEL SISTEMA DI PROTEZIONE Rappresenta la prima importante tappa del progetto, sviluppato per delineare gli elementi fondamentali con cui specificare il sistema di protezione a livello di capitolato di gara/specifica tecnica. Dall analisi dello schema della rete elettrica, dalla conoscenza delle modalità di esercizio della stessa, dalle caratteristiche dei componenti elettrici (macchine, linee, quadri, ecc.), dallo stato del neutro, dai dati della rete elettrica del Distributore ed ai limiti imposti dallo stesso alle regolazioni delle protezioni dell Utente, viene prodotto uno schema unifilare in cui vengono definiti: modello e funzioni protettive dei relè di protezione nei diversi scomparti dei quadri elettrici tipo e corretto posizionamento dei trasformatori di misura (TA, TV) e/o sensori comandi di apertura degli interruttori, comandi a eventuali sistemi di trasferimento automatico di sbarra, eventuali segnalazioni di allarme Eventuale scambio di segnali/messaggi di interblocco tra i relè di protezione per la selettività logica. Si pianifica inoltre il criterio con cui rendere selettivi i diversi relè di protezione (selettività cronometrica e/o amperometrica, a zone, logica). 11

13 CALCOLO DELLE CORRENTI DI CORTOCIRCUITO Ha lo scopo di determinare le correnti massime e minime per i diversi tipi di guasto (trifase, bifase, monofase a terra) in tutti i nodi elettrici ed in tutti i possibili assetti di funzionamento della rete elettrica. E necessario sia nell ambito del progetto dell impianto elettrico (es. tenuta dei cavi e dei quadri al corto circuito, potere di interruzione e stabilimento degli interruttori) sia per le regolazioni delle protezioni. Calcolo delle correnti massime per il coordinamento amperometrico delle protezioni e per la tenuta termica e dinamica dei componenti elettrici. Calcolo delle correnti minime per considerare le condizioni più sfavorevoli in cui le protezioni devono intervenire. Il calcolo viene elaborato a partire dai dati delle impedenze dei diversi componenti elettrici (rete di alimentazione, generatori, trasformatori, linee, motore, reattanze di limitazione). 12

14 SOFTWARE DI CALCOLO DELLE CORRENTI DI CORTOCIRCUITO Per reti elettriche con numerosi nodi e diverse configurazioni di esercizio, i calcoli possono essere vantaggiosamente elaborati medianti appositi software che permettono: l elaborazione dei calcoli in conformità a diverse norme (es. IEC 60909, VDE 0102 o ANSI/IEEE C37) elevata rapidità e precisione dei calcoli calcolo di guasti singoli o multipli, simmetrici (corto circuito trifase) o dissimmetrici (corto circuito bifase, monofase a terra, doppio monofase a terra), con o senza impedenza di guasto. risultati del calcolo sia nei nodi sia nei diversi rami della rete (utile per reti magliate). Calcolo di molteplici grandezze elettriche selezionabili (es. correnti iniziali simmetriche, permanenti, di picco, di interruzione, tensioni di fase, concatenate, omopolari, ecc.). 13

15 SOFTWARE DI CALCOLO DELLE CORRENTI DI CORTOCIRCUITO Il modello della rete elettrica viene costruito mediante apposita interfaccia grafica. Documentazione dei risultati in forma tabellare oppure in forma grafica direttamente sullo schema unifilare di rete. Appositi linguaggi di programmazione permettono di generare sequenze ripetitive di comandi (scripts) con cui elaborare automaticamente i calcoli nei diversi assetti della rete elettrica. Integrazione con altre funzioni di calcolo quali load flow, EMTP, stabilità, coordinamento delle protezioni, ecc... 14

16 DEFINIZIONE O VERIFICA DEI TRASFORMATORI DI MISURA (TA, TV) Un errata scelta delle caratteristiche dei trasformatori di misura può comportare mancati interventi o interventi ritardati delle protezioni. Inoltre occorre verificare che non sia superata la tenuta termica del relè di protezione. Per i TA/TV secondo CEI EN / occorre definire/verificare: Tensione nominale di riferimento per l isolamento Corrente/tensione nominale primaria Corrente/tensione nominale secondaria Corrente massima permanente di riscaldamento (TA) Corrente nominale termica di corto circuito (TA) Corrente nominale dinamica (TA) Classe di precisione Prestazione nominale Fattore limite di precisione dei TA / fattore di tensione dei TV 15

17 DEFINIZIONE O VERIFICA DEI TRASFORMATORI DI MISURA (TA, TV) Esempio di intervento ritardato di una protezione di massima corrente a tempo dipendente per effetto della saturazione di TA 100/5 A - 5 VA - 5P10 a fronte di una corrente di cortocircuito primaria di 10 ka , , , , ,00 Pr imar y cur r ent (10 ka, T=0,04 s) Secondar y cur r ent (r ef er r ed to the pr i mar y) Rel ay cur r ent measur ement (r ef er r ed to the pr i mar y) Tempo [s] 10 1 tempo di intervento effettivo 0,4 s Curva di intervento della protezione Corrente misurata dal relè 5000,00 0,00 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0, , , ,00 0,1 tempo di intervento teorico 0,15 s Corrente di cortocircuito primaria 10 ka ,00 Time [s] 0, Corrente [A] 16

18 SCHEMI DI INSERZIONE DELLE PROTEZIONI Indicano i collegamenti dei relè di protezione ai TA e TV di misura o sensori, all alimentazione ausiliaria, ai circuiti di comando dei dispositivi di manovra e dell eventuale selettività logica. Errati collegamenti dei relè di protezione sono tra le più frequenti cause di non corretto funzionamento. 17

19 STUDIO DI COORDINAMENTO DELLE PROTEZIONI Ha lo scopo di definire le regolazioni dei relè di protezione in modo da ottenere: L intervento delle protezioni in caso di guasti nella propria zona (requisito di dependability o fidatezza grado di certezza che il sistema di protezione intervenga correttamente), nel minor tempo possibile (requisito di rapidità) e comunque rispettando i limiti termici e dinamici dei componenti elettrici. Garantire l esercizio dell impianto in tutte le condizioni ammesse per la rete elettrica senza interventi indesiderati delle protezioni (requisito di security o sicurezza grado di certezza che il sistema di protezione non intervenga erroneamente). Ottenere, compatibilmente con le caratteristiche dell impianto ed i vincoli imposti dal Distributore alle regolazioni delle protezioni, il requisito di selettività (massima continuità di esercizio con il minimo distacco di rete a fronte di guasti). (Reliability = Dependability + Security) 18

20 STUDIO DI COORDINAMENTO DELLE PROTEZIONI E documentato secondo i seguenti contenuti: dati tecnici descrizione del sistema di protezione descrizione dei criteri di regolazione applicati schema unifilare tabelle di regolazione dei relè di protezione: per i moderni relè di protezione aventi numerosi parametri, è determinante il listato completo di tutte le programmazioni (non solo soglie e tempi di intervento) diagrammi di coordinamento con indicati: tensione di riferimento curve di intervento protezioni curve di decremento della corrente di cortociruito dei generatori sincroni curve della corrente di inserzione trasformatori, avviamento motori tenuta al cortocircuito trasformatori curve dei limiti termici dei cavi, di statore e rotore dei motori corrente di breve durata dei quadri elettrici correnti nominali dei componenti elettrici (trasf, linee, gen, mot, ) correnti massime e minime di guasto considerazioni conclusive Tempo [s] ,1 In=38,49 A TR 1000 kva N3.4 N4.4 N7.4 N8.4 N3.2 N4.2 N7.2 N8.2 N3.4 N4.4 N7.4 N8.4 Inrush TR 1000 kva Decremento corrente ctocto lato 15 kv di n. 1 gruppo elettrogeno N1.0 N3.0 N2.1 N1.0 Iz=200 A RG7H1R 3x1x70 Iz=270 A RG7H1R 3x1x120 Iz=300 A RG7H1R 3x1x150 Limite termico TR 1000 KVA N3.2 N4.2 N7.2 N8.2 Limite termico RG7H1R 3x1x70 Limite termico RG7H1R 3x1x120 Limite termico RG7H1R 3x1x150 N1.0 N3.0-N2.1 N3.2-N4.2 N7.2-N8.2 0, Corrente di fase [A] 19