Dossier tecnico n 3/MT-BT. Coordinamento delle protezioni MT/BT

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1 Dossier tecnico n 3/M-B Coordinamento delle protezioni M/B

2 Schneider Electric SpA MK Division AGRAE (MI) (italia) el. (039) fax (039) dossier tecnico n. 3/M -B Edizione SEEMBRE 05

3 Coordinamento delle protezioni M/B Dossier ecnico n. 3/M--B Indice 1. Distribuzione elettrica Sicurezza e disponibilità dell alimentazione Le norme impianti Sistemi di neutro 4 2. Allacciamento in Media ensione Criteri di selettività in M 2.2 Criteri di allacciamento 9 in M Apparecchi di protezione in Bassa ensione La norma di prodotto CEI EN ecniche di selettività in bassa tensione Selettività in caso di guasto verso terra Selettività con trasformatori in parallelo Selettività alla chiusura abelle di selettività in Bassa ensione Regole di utilizzo 29 5.Esempiodistudiodi selettività di un impianto M/B Arrivo generale M Distribuzione in B abelle di selettività (guida al sistema B) Allegato: Calcolo delle correntidiguastoincabina M/B: metodo pratico Allegato: Selettività tra fusibile M e interruttore B Allegato: Caratteristiche elettriche di trasformatori M/B 53. Allegato: Segni grafici e codici di identificazione delle protezioni 55 Bibliografia 57 dossier tecnico n.3/m--b 1

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5 1 Distribuzione elettrica 1 Introduzione I dispositivi di protezione controllano in permanenza lo stato elettrico degli elementi di una rete elettrica e provocano la loro messa fuori tensione (per esempio l apertura di un interruttore), quando questi elementi sono interessati da anomalie di funzionamento: sovraccarico, corto---circuito, cedimento dell isolante. La scelta di un dispositivo di protezione non è il frutto di una riflessione isolata, ma una delle tappe più importanti nella progettazione di una rete elettrica. La presente guida ha lo scopo di indicare le regole generali per scegliere le regolazioni più adatta al funzionamento dell impianto. Il documento si propone di approfondire quanto già indicato nella guida CEI a riguardo delle protezioni in media tensione unitamente al coordinamento selettivo delle protezioni in bassa tensione, il tutto nel rispetto dei vincoli, di regolazione e di potenza installata, previsti dal Distributore. 1.1 Sicurezza e disponibilità dell alimentazione Le valutazioni per la scelta di un dispositivo di protezione sono molteplici: H partecipare alla protezione delle persone contro i rischi elettrici; H evitare il deterioramento del materiale (un cortocircuito trifase su una sbarra di media tensione può far fondere fino a 50 kg di rame in un secondo; la temperatura dell arco può superare 000 C); H limitare le sollecitazioni termiche meccaniche e dielettriche alle quali sono sottoposti i materiali; H preservare la stabilità e la continuità della rete; H proteggere le installazioni vicine ( per esempio, ridurre la durata delle sovratensioni dovute ad un guasto a terra). Per arrivare a questo obbiettivo, un sistema di protezione deve essere rapido, selettivo e affidabile. Per questo si deve essere coscienti dei limiti della protezione, essa non può annullare le perturbazioni, ma può limitare il loro effetto e la loro durata, inoltre la sua scelta è sovente un compromesso tecnico---economico tra la sicurezza e la disponibilità dell alimentazione dell energia elettrica. Studio delle protezioni di una rete Lo studio delle protezioni di una rete si compone di due tappe distinte. H La definizione del sistema di protezione. H La determinazione delle regolazioni di ciascuna unità di protezione, anche chiamata coordinamento delle protezioni o studio della selettività. Definizione del sistema di protezione E lasceltadeglielementidiprotezionee della struttura globale d insieme di funzioni coerenti e adattate alla rete. Il sistema di protezione è composta dagli elementi seguenti: H rasformatori di misura (corrente e tensione) che forniscono le informazioni delle grandezze della rete necessarie alla rilevazione del guasto. H Relè di protezione, dedicati al controllo continuo dello stato elettrico della rete e al comando di apertura del dispositivo di interruzione. H Organi di interruzione con il compito di eliminare il guasto: interruttori, combinato --- fusibile (IMS), contattore --- fusibile. La scelta delle protezioni definisce i dispositivi di protezione che intervengono sui principali guasti che interessano la rete e le macchine: H corto circuito tra fasi e tra fase e terra, H sovraccarichi, H guasti propri delle macchine rotanti. Per scegliere correttamente le protezioni devono essere prese in considerazione i seguenti parametri: H l architettura e la potenza della rete unitamente ai suoi differenti modi di gestione, H lo schema di collegamento a terra ( neutro isolato... ), H le caratteristiche della sorgente di energia e il loro contributo in caso di guasto (ente distributore), H itipidicarico, H il bisogno di continuità di servizio e di disponibilità dell alimentazione. Determinazione delle regolazioni delle unità di protezione Ciascuna funzione di protezione deve essere regolata al fine di gestire in modo ottimale la rete elettrica e per tutte le sue possibili configurazioni di utilizzo. I valori di regolazione nascono da calcoli completamente basati sulle caratteristiche elettriche dettagliate degli elementi che compongono la rete. Questo tipo di studio viene generalmente eseguito con l ausilio di programmi dedicati e da personale che abbia una forte conoscenza delle problematiche di impianto, in modo tale da poter analizzare e di conseguenza definire i valori di regolazione più idonei. dossier tecnico n.3/m--b 3

6 1.2 Norme impianti Lenormeeleguidecheregolanogli impianti in media tensione (CEI e CEI ) e bassa tensione (CEI ) trattano l argomento coordinamento delle protezioni e raccomandano un buon coordinamento tra i dispositivi stessi. Per quanto riguarda i prodotti di media tensione, il coordinamento tra i dispositivi di protezione, A e V è preso in considerazione nella guida CEI mentre per il combinato, interruttore di manovra sezionatore (IMS) con fusibili, la norma CEI EN (CEI ) indica le condizioni di base da rispettare per garantire il corretto coordinamento (IMS + fusibile). La norma impianti CEI precisa che si deve scegliere opportunamente la disposizione dei circuiti per soddisfare le esigenze di esercizio e di sicurezza e si deve tenere in considerazione la continuità di servizio in caso di guasto e di manutenzione in relazione alla configurazione della rete di distribuzione. Per quanto riguarda la cabina M/B, e più specificatamente il coordinamento tra le protezioni in media e in bassa tensione, si rimanda alla guida CEI allegato F. La norma che regolamenta i dispositivi di protezione in bassa tensione (CEI ) identifica le modalità di esecuzione delle prove per accertare: H il coordinamento selettivo (Allegato 5 Verifica della selettività ). H il coordinamento serie (Allegato 6 Verifica della protezione di sostegno ). Le combinazioni prese in considerazione prevedono l utilizzo sia di interruttori limitatori (categoria A) che non limitatori o meglio ad intervento ritardabile (categoria B). Per un maggior approfondimento sull argomento si rimanda al capitolo 3.1. Per quanto riguarda gli impianti in bassa tensione, la norma CEI lascia al committente e al progettista il compito di valutare se le situazioni di esercizio richiedano un coordinamento selettivo tra le protezioni contro le sovracorrenti e i guasti verso terra. La stessa norma richiama il coordinamento in filiazione, o di sostegno, ammettendo che il potere di interruzione del dispositivo di protezione possa essere inferiore alla corrente di cortocircuito presunta nel punto diinstallazioneapattocheamontesia installato un altro dispositivo avente il necessario potere di interruzione e che l energia che essi lasciano passare non superi quella che può essere sopportata senza danno dal dispositivo situato a valle. Per approfondimenti sul tema si rimanda ad altra documentazione tecnica. 1.3 Sistemi di neutro Generalità La continuità di servizio è richiesta qualunque sia il sistema di neutro e di conseguenza lo è anche il coordinamento selettivo e i criteri per attuarlo. I dispositivi utilizzati per proteggere l impianto e le persone dai rischi elettrici sono differenti secondo il sistema di neutro utilizzato, e di conseguenza il coordinamento selettivo riguarderà tutte o alcune delle seguenti protezioni: H H H protezione contro il sovraccarico, protezione contro il cortocircuito, protezione contro il guasto verso terra che può essere realizzata con dispositivi: --- a corrente differenziale associato al dispositivo di protezione; --- a corrente differenziale integrato nello sganciatore; --- a corrente residua integrato nello sganciatore; --- a corrente residua con sistema relè/toroide esterno all interruttore; --- per il controllo permanente dell isolamento. La rete elettrica del Distributore viene esercita normalmente a neutro compensato e in casi eccezionali a neutro isolato. A/B G N Protezione per guasto verso terra G = protezione a corrente differenziale = protezione a corrente residua DDR DDR PE FIG. 1 4 dossier tecnico n.3/m--b

7 Sistemi di neutro in media tensione I sistemi di neutro utilizzati negli impianti in media tensione del Distributore sono i seguenti. FIG. 2 A/M V Irs Neutro isolato Distributore Ird Utente Neutro isolato. Non c è nessun collegamento elettrico tra il centro stella del trasformatore e la terra ad eccezione di apparecchi di misura o protezione.fig.2 I vantaggi essenziali di questo tipo di distribuzione è quello di permettere il mantenimento del primo guasto verso terra in impianti la cui estensione comporta valori di corrente capacitiva limitati. Questo fatto permette al Distributore di gestirealmeglioilprimoguasto d isolamento con appositi sistemi di richiusura posti in cabina primaria. I fenomeni che si manifestano al primo guasto di isolamento sono i seguenti: H sovratensioni a frequenza industriale a regime pari a 1,74 volte la tensione nominale verso terra. Le sollecitazione a cui l isolamento è soggetto dipendono dal tempo di permanenza del guasto; H difficoltà di realizzare protezioni selettive; H ferrorisonanza con i trasformatori di tensione (V). FIG. 3 Distributore A/M V Irs Ird Utente Neutro compensato Neutro compensato Il centro stella del trasformatore è collegato a terra tramite una reattanza accordata con la capacità della linea in modo che la corrente di guasto sia praticamente nulla. Il sistema di collegamento a terra prevede anche una resistenza. per permettere la circolazione di una corrente di guasto sufficiente per fare intervenire le protezioni. I vantaggi di questa soluzione sono: H ridotta corrente di guasto e conseguente estinzione naturale dei guasti non permanenti; H tensioni di terra limitate; I principali inconvenienti che si presentano alprimoguastodiisolamentosonoi seguenti: H rischio di sovratensioni transitorie anche se limitate; H il guasto può permanere per un tempo elevato. L impianto di terra è dimensionato sulla base della corrente di guasto più bassa ma anche per tensioni di contatto possibili (UP) più basse di quelle normalmente ammesse in caso di neutro isolato. dossier tecnico n.3/m--b 5

8 Sistemi di neutro in bassa tensione I sistemi di neutro utilizzati negli impianti in bassa tensione sono i seguenti. Sistema Viene utilizzato per utenze alimentate in bassa tensione. Il neutro del trasformatore è collegato a terra e le masse dell utenza sono collegate ad una terra propria distinta da quella del Distributore. Le protezioni utilizzate sono le seguenti: H per i guasti di fase protezione contro le sovracorrenti; H per i guasti verso terra protezione a corrente differenziale o residua. PE N Utilizzatori FIG.4 Sistema NC (conduttore di neutro e di protezione unico PEN) oppure NS. Viene utilizzato quando il Distributore prevede l allacciamento in media tensione per la fornitura di energia. Il neutro del trasformatore è collegato a terra e le masse dell utenza sono collegate alla terra di cabina mediante il conduttore di protezione. Le protezioni utilizzate sono le seguenti: H per i guasti di fase protezione contro le sovracorrenti; H per i guasti verso terra protezione contro il cortocircuito. In presenza di linee molto lunghe con sezioniridotteecorrentidiguastoinferiori alla soglia magnetica, oppure quando il confronto tra la corrente di guasto e la soglia di intervento della protezione contro il cortocircuito non concede margini di sicurezza, si utilizza la protezione a corrente differenziale o residua N PE Sistema NS Utilizzatori FIG.5 6 dossier tecnico n.3/m--b

9 Sistema I In questo sistema non è obbligatorio l intervento delle protezioni al primo guasto d isolamento e quindi si utilizzato quando il processo produttivo richiede una elevata continuità dell alimentazione. Il neutro del trasformatore è isolato da terra e le masse dell utenza sono collegate a terra, individualmente, a gruppi o ad una unica terra, con un conduttore di protezione (PE). Le protezioni utilizzate sono le seguenti. H per i guasti di fase protezione contro le sovracorrenti; H H H per il primo guasto d isolamento controllore permanente di isolamento (CPI); per il secondo guasto verso terra protezione contro il cortocircuito oppure, solosullepartenzeeselecondizioni circuitali (criterio di messa a terra delle masse di utenza) lo richiedono, protezione a corrente differenziale; protezione contro le sovratensioni di natura atmosferica o dovute all azionamento di dispositivi di comando (ad esempio di batterie di condensatori) N CPI Utilizzatori FIG.6 dossier tecnico n.3/m--b 7

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11 2 Allacciamento in Media ensione 2.1 Criteri di selettività in M Le protezioni costituiscono tra loro un insiemecoerentedipendentedallastruttura dellareteedalsuoregimedineutro. Essa deve essere vista attraverso un sistema che si basa sul principio della selettività, che consiste nell isolare il più rapidamente possibile la parte di rete interessata al guasto lasciando in tensione tutta la parte sana della rete. Possono essere utilizzati differenti mezzi per assicurare una buona selettività tra le protezioni di una rete elettrica: H selettività cronometrica tra i tempi di intervento; H selettività amperometrica tra le correnti di regolazione; H selettività con scambio di informazioni detta anche selettività logica; H selettività che utilizzi protezioni di tipo direzionale; H selettività che combini le precedenti al fine di assicurare una migliore prestazione globale tecnica ed economica, o per ottenere un rincalzo alla selettività principale (back---up). Nota Bene. Non tutti i criteri di selettività sotto indicati sono applicabili in impianti alimentati in media tensione e assoggetti alla specifica DK Selettività cronometrica A= 1.1s A 50/51 B= 0.8s B 50/51 C= 0.5s C 50/51 D= 0.2s 50/51 D Guasto tra le fasi Essa consiste nel temporizzare differentemente le protezioni di massima corrente posizionate lungo la rete, questa temporizzazione è tanto più elevata quanto è più prossima la sorgente. Modo di funzionamento Con riferimento allo schema, il guasto in D è visto da tutte le protezioni. La protezione temporizzata D attiva i suoi contatti in uscita più rapidamente di quella installata in C, quella in C più rapidamente di quella in B. Dopo l apertura dell interruttore in D e la scomparsa della corrente di guasto, le protezioni in A,B,C che non sono più sollecitate, ritornano nella posizione di riposo dopo un tempo di inerzia. La differenza dei tempi di funzionamento tra due protezioni successive è chiamato intervallo di selettività, esso dovrà tenere conto: H del tempo di interruzione c dell interruttore a valle, che include i tempi di risposta dell apparecchio all apertura e del tempo d arco; H delle tolleranze della temporizzazione delle due protezioni in serie; H del tempo di ricaduta della protezione a monte r; H di un margine di sicurezza m; deve quindi soddisfare la seguente relazione: > c + r + +m enuto conto delle caratteristiche attuali degliapparecchiedeirelèsipuòadottare un valore di 0, s. Esempio: c=95ms, =ms, r=40ms; per l intervallo di selettività 0 ms il margine di sicurezza è di 65ms. Vantaggi Questo tipo di selettività ha due vantaggi: H assicura una protezione di rincalzo; per esempioselaprotezionedèguastala protezione C apre il proprio interruttore dopo il ritardo intenzionale; H èdisempliceutilizzo. Inconvenienti Maggiore è il numero di protezioni in cascata, maggiore sarà il tempo di eliminazione del guasto nel punto più vicino alla sorgente dove la corrente di guasto è maggiore. Ciò potrebbe portare ad un tempo incompatibile con la tenuta dei materiali alla corrente di cortocircuito, o con le regolazioni di protezioni a monte (collegamento con una rete pubblica di distribuzione). Applicazione Questo principio è applicato nelle reti di distribuzione radiale. Le temporizzazioni definite per ottenere la selettività sono attivate quando la corrente supera la soglia regolata sul relè, è necessario che le regolazioni delle soglie siano coerenti tra loro. FIG.7 dossier tecnico n.3/m--b 9

12 2.1.2 Selettività amperometrica Essa è basata sul fatto che all interno di una rete, la corrente di guasto è tanto più bassa quanto il guasto è lontano dalla sorgente. IccAmin IsA, A 50/51 IccBmax IsA, A 50/51 Modo di funzionamento Una protezione amperometrica è disposta alla partenza di ciascun tronco di linea, la sua soglia è regolata ad un valore inferiore al valore di cortocircuito minimo provocato da un guasto sulla sezione di impianto controllata, e superiore al valore massimo della corrente di guasto al di là della zona sorvegliata. FIG.8 IccA Guasto tra le fasi IsB, B 50/51 IccB IccBmax IsB, B 50/51 Guasto tra le fasi ZONA A ZONA B Vantaggi Così regolata, ciascuna protezione funziona solo per i guasti situati immediatamente a valle della sua posizione di installazione, all interno della zona controllata; la protezione a monte (A) è insensibile ai guasti che si manifestano al secondario del trasformatore. Questo sistema è applicato nella protezione dei trasformatori con vantaggi di semplicità, di riduzione dei tempi di intervento (intervento senza ritardo). Un esempio è quello della figura 9: IccBmax < IsA < IccAmin dove i termini hanno il seguente significato: IsA = regolazione della soglia IccB = corrente di cortocircuito massima al secondario del trasformatore riportato al primario. Le temporizzazioni A e B sono indipendenti. La temporizzazione della protezione A può essere inferiore a quella di B o al limite essere uguale (caso di selettività tra protezione in M e in B). a t b B A2 A1 Inconvenienti La protezione situata a monte (A) non assicura il soccorso alla protezione situata a valle (B). Per migliorare il livello di protezione dell impianto e del trasformatore si dovrà utilizzare, sulla protezione A, una seconda soglia A2 con selettività combinata (amperometrica + cronometrica, oppure amperometrica + logica). Un esempio può essere il caso di protezioni a monte e a valle di un trasformatori A/M oppure M/B. I FIG.9 Risulta difficile definire le regolazioni delle due protezioni in cascata e assicurare una buona selettività, quando le correnti non si riducono in modo sensibile tra due zone vicine. IsB IccB IsA IccA dossier tecnico n.3/m--b

13 2.1.3 Selettività Logica Guasto tra le fasi 50/51 50/51 50/51 B= 0.1s A= 0.1s C= 0.1s Questo sistema è stato sviluppato per rimediare agli inconvenienti della selettività cronometrica (elevata energia in gioco durante il guasto). La selettività logica è utilizzata quando si vuole ottenere un ridotto tempo di eliminazione del guasto in ogni punto dell impianto. Modo di funzionamento Lo scambio d informazione logica tra le protezioni (tempo di trasmissione almeno 0ms) permette l eliminazione degli intervalli di selettività, e quindi di ridurre considerevolmente il ritardo di sgancio degli interruttori situati vicini alla sorgente (vedere fig. ). In effetti, in una rete con distribuzione radiale, le protezioni situate a monte del punto di guasto sono attivate, quelle a valle non lo sono; questo permette di localizzare senza ambiguità il punto di guasto e l interruttore da comandare. Ciascuna protezione attivata dal guasto invia: H un ordine di blocco logico alla protezione a monte (blocco dell ordine di apertura dell interruttore); H un ordine di apertura all interruttore associato se non ha ricevuto un blocco logico dalla protezione a valle. Vedere anche il paragrafo sulla selettività combinata. Questo principio è illustrato nella figura. Alla comparsa di un guasto a valle di B, solo le protezioni A e B sono attivate dal passaggio della corrente di guasto, la protezione in B blocca la protezione in A. La protezione in B provoca l apertura del proprio interruttore con un ritardo intenzionale B. Nel caso in cui il sistema di trasmissione delle informazioni non funzioni correttamente (filo pilota interrotto), la durata dell ordine di blocco logico, per la protezione in A, è limitata ad un tempo B+3 dove 3 (tipicamente 0ms) è un tempo che tiene conto della durata di apertura dell interruttore. In questo caso la protezione in A comanda il proprio interruttore dopo B+3 (circa 200ms). Alla presenza di un guasto tra A e B (figura 11) la protezione A comanda l apertura dopo un tempo A (valore minimo 0ms). FIG. 50/51 D= 0.1s Vantaggi Il tempo di apertura è indipendente dalla posizionedelguastoedalnumerodi protezioni in cascata. Così è possibile ridurre al minimo i ritardi intenzionali delle protezioni che dovrebbero crescere con il numero di livelli di distribuzione (selettività cronometrica). In più, questo sistema integra al suo interno la protezione di rincalzo in caso la protezione a valle non eliminasse il guasto. IsB B Ist. IsA A Ist. B+3 Inconvenienti Il sistema necessita della trasmissione del segnale logico tra i diversi livelli di protezione, quindi necessita di un conduttore ausiliario (filo pilota). Il collegamento potrebbe essere problematico quando le protezioni sono lontane ad esempio nel caso di più cabine di distribuzione distanti diversi centinaia di metri. Le difficoltà possono essere superate utilizzando la combinazione tra la selettività logica a livello di quadro di distribuzione e la selettività cronometrica tra zone lontane (vedi capitolo selettività combinata) oppure utilizzando interconnessioni tra le protezioni eseguite con cavo in fibra ottica. FIG.11 dossier tecnico n.3/m--b 11

14 2.1.4 Selettività direzionale Guasto 1 A= 0.4s B= 0.4s Guasto 2 Principio della protezione direzionale di fase Guasto in 1 Protezione in A attiva, protezione in B non attiva Guasto in 2 Protezione in A non attiva, protezione in B non attiva FIG.12 Nel caso di distribuzione ad anello, o per un guasto alimentato da più sorgenti di alimentazioni, o nel caso di correnti di guasti a terra di valore ridotto, unitamente a linee in derivazione di notevole estensione, viene utilizzata una protezione sensibile al senso di circolazione della corrente di guasto per poterla localizzare ed eliminare in modo selettivo. Questo è il ruolo delle protezioni direzionali di massima corrente. Modo di funzionamento L azione della protezione è differente secondo il senso della corrente, identificato dal suo sfasamento rispetto ad una grandezza di riferimento (normalmente un vettore di tensione); il relè dovrà quindi disporre delle informazioni di corrente e di tensione (A + V). Le condizioni di intervento, cioè l identificazione della zona di intervento e di non intervento, sono definite in funzione della rete da proteggere e del flusso di energia di guasto (fig. 12). Nota In presenza di un guasto nel punto 2 interverranno le protezioni adirezionali preposte alla protezione delle due linee. Guasto 1 A 67N Guasto 2 Esempio di utilizzo della protezione omopolare direzionale (fig 13) Puntodiconsegnadell energiaelettricada partedell Entefornitorea20kVconretedi distribuzione con lunghezza delle linee a valle di 700 m e con regolazione della protezione contro il guasto a terra di 2A e corrente di guasto di 50A. In caso di guasto nel punto 2 la corrente di guasto assume il valore massimo di 50 A e senso di circolazione dalla sorgente verso l impianto da proteggere. Nel caso di guasto nel punto 1 la corrente di guasto che interessa la protezione è la corrente capacitiva contributo della linea 1. Essa assume un valore di Ic=0,2xV(kV)xL(km)=0,2x20x0,7=2,8A e senso di circolazione dall impianto da proteggere verso la sorgente. Per evitare l intervento della protezione per guasti a monte è necessario l utilizzo di protezioni di tipo direzionale con direzione di intervento verso la rete da proteggere. Cavo di lunghezza 700m Vantaggi Assicura l eliminazione selettiva del guasto salvaguardando, nel caso di più alimentazioni o più linee in parallelo, la continuità di esercizio. FIG.13 Inconvenienti Il dispositivo necessita l utilizzazione di trasformatori di tensione che servono per rilevare la tensione di riferimento per la determinazione dell angolo di sfasamento, e quindi della direzione della corrente. 12 dossier tecnico n.3/m--b

15 2.1.5 Selettività combinata Una selettività mista è una combinazione di funzioni elementari di selettività che assicurano dei vantaggi complementari alla selettività semplice descritta nelle pagine IccB, IccA IsA1, A1 IsA2, A2 precedenti quali: H selettività totale, H ridondanza o protezione di rincalzo. Di seguito alcuni esempi pratici di applicazione con associazioni di due tipi di selettività: H amperometrica + cronometrica, H logica + cronometrica. Selettività amperometrica + cronometrica (fig. 14) L esempio mostra quello che è descritto di seguito: H selettività amperometrica tra A1 e B, H selettività cronometrica tra A2 e B. Si ottiene così una selettività totale, e la protezione in A assicura il soccorso per un guasto in B t B A IccB A2 51 IsB, B B Τ Guasto tra le fasi A1 I IsB IsA2 IccB IsA1 IccA FIG IsA, A1 51 A Ist. t B A Selettività logica + cronometrica di soccorso (fig. 15) L esempio mostra quello che è descritto di seguito: H selettività logica tra A e B H selettività cronometrica tra A1 e B. In caso di guasto a monte di B, la protezione A1 assicura un intervento di soccorso ad A nel caso di un suo non corretto funzionamento dovuto ad un guasto del sistema di trasmissione del blocco logico (ordine di blocco permanente). 51 B Ist. B+3 A1 B Τ Sel. Cronometrica A I IsB IsA IccB Sel. Logica IccA FIG.15 dossier tecnico n.3/m--b 13

16 Quadro QA Selettività Cronometrica 50/51 A Selettività Logica 50/51 B Selettività Logica Cronometrica A= 0.1s A= 1.1s A= 0.5s B= 0.8s Selettività logica + cronometrica mista L esempio mostra quello che è descritto di seguito: H selettività logica all interno del quadro (tra A e B, tra C e D); H selettività cronometrica tra i due quadri QA (protezione B) e QB (protezione C) con B = C +. In questo modo non è necessario installare un collegamento di trasmissione del segnale di blocco logico tra i due quadri lontani. I tempi di eliminazione del guasto sono ridotti rispetto ad una selettività cronometrica semplice attuata su tutti i livelli di distribuzione (1,1s per guasto a valle della protezione A). 50/51 C C= 0.1s C= 0.5s Quadro QB Selettività Logica 50/51 D D= 0.2s FIG.16 La figura evidenzia il confronto tra i tempi relativi alla selettività logica e quelli relativi alla selettività cronometrica. 14 dossier tecnico n.3/m--b

17 2.2 Criteri di allacciamento in M Le prescrizioni della DK 5600 si applicano: H integralmente, ai nuovi allacciamenti ed in occasione del rifacimento di impianti esistenti e della relativa cabina; H in caso di cambiamento della potenza contrattuale; H limitatamente al sistema di protezione, ai clienti esistenti che passano da neutro isolato a neutro a terra tramite impedenza; H limitatamente al locale misura, ai clienti dotati di gruppi di misura elettronici. Per sistema di protezione del cliente si intende l insieme costituito da: H dispositivo generale DG, H protezione generale PG, H riduttori di corrente A e di tensione V chealimentanolaprotezionepg. Aspetti generali La tensione nominale per l allacciamento (M o B) viene definito dal Distributore caso per caso in funzione della rete e della potenza richiesta. Lo schema d allacciamento (derivazione o entra---esce) è definito a discrezione del Distibutore, che può modificarlo in un secondo tempo. L esercizio della rete M può essere a neutro isolato oppure a terra tramite impedenza. Le caratteristiche della tensione M fornita dal Distributore sono conformi alla Norma CEI EN Le apparecchiature del cliente devono essere conformi alle Norme IEC 600 per la compatibilità elettromagnetica. CP Impianto Cliente cortocircuito Potenza installabile E stabilito un limite per la taglia del singolo trasformatore, in modo da garantire la selettività fra le protezioni di massima correntedeldistributoreedelclienteper cortocircuito sulle sbarre B. ensione (kv) 15 Potenza (kva) FIG.17 A/M Se linea e protezioni lo consentono, il Distributore può accettare taglie fino a: ensione (kv) Potenza (kva) Sono stati presi in considerazione trasformatori con Vcc: 6%, questo consente di ottenere una selettività tra le protezioni di bassa tensione e le protezioni poste in cabina primaria. E quindi possibile l utilizzo di trasformatori di taglia superiore con il vincolo di mantenere costante la corrente di guasto passante (tensioni di cortocircuito maggiori). Ad esempio a 15 kv, la taglia passa da 1600 kva con Vcc= 6% a: H 2000 kva, se Vcc= 8% H 3200 kva, se Vcc= %. Il limite di taglia si applica all insieme di trasformatori in parallelo. Ad esempio, a 15 kv, la taglia di due trasformatori uguali in parallelo non può superare 1600 / 2 = 800 kva. dossier tecnico n.3/m--b 15

18 15 kv FIG kv FIG kva 800 kva 2 x 1600 kva 10 kva Relè minima V Impianto cliente Impianto cliente La potenza di trasformazione massima installabile dal cliente (potenza contemporaneamente in servizio) è limitata a 2 x limite di taglia del singolo trasformatore. Quindi: H 2x 1600 kva a 15 kv, H 2x 2000 kva a 20 kv. La limitazione delle potenze ha lo scopo di evitare l apertura dell interruttore di linea in C.P. al momento della sua chiusura in assenza di guasto (chiusura intenzionale o richiusura automatica). ale apertura è dovuta all eccessiva corrente d inserzione dei trasformatori M/B contemporaneamente alimentati dalla linea del Distributore. Il cliente che necessita di trasformatori con potenza complessiva maggiore del limite imposto è autorizzato, previo accordo, solo se impiega un dispositivo che eviti la contemporanea energizzazione dei trasformatori che superano il limite di potenza installabile. Ad esempio, il cliente può installare un relé di minima tensione (relè 27) che apra entro 0, s i trasformatori eccedenti il limite, e li richiuda (relè 59) al ritorno della tensione dopo non meno di 5 s. Impianto utilizzatore L impianto utilizzatore M, che inizia dal punto di prelievo, deve essere dimensionato con i dati di rete forniti dal Distributore: H tensione nominale (ad esempio 15 kv), H tensione d isolamento di 24 kv per qualsiasi tensione nominale con esclusione dei trasformatori di potenza, H corrente di cortocircuito massima di rete, pari a 12,5 ka previo conferma dell Ente Distributore. Il cavo di collegamento, allestito dal cliente comprese le terminazioni, deve essere: H il più corto possibile, perché protetto dall interruttore del Distributore; H di sezione minima equivalente a 95 mm 2 rame, in modo da sopportare per 0,5 s la massima Icc= 12,5 ka. Il dispositivo generale DG del cliente, che deve assicurare le funzioni di sezionamento, comando e interruzione, può essere costituito, in alternativa, da: H sezionatore + interruttore scollegabile, H interruttore estraibile in accordo alla normativa CEI EN Come dispositivo generale DG non è più ammesso l IMS con fusibili, perché la DK 5600 impone a tutti gli utenti M la protezione contro i guasti a terra. 16 dossier tecnico n.3/m--b

19 Protezione Generale La protezione PG è sempre costituita da: H una protezione di massima corrente, H una protezione contro i guasti a terra. La tipologia delle protezioni dipende dalle caratteristiche dell impianto cliente. Caratteristiche impianto utente Lunghezza linee aeree M in conduttori nudi (m) Lunghezza linee M in cavo (m) rasformatori M/B 0 < 500 > 1 in unico locale cliente Protezioni DG PG Massima corrente di guasto (A) interruttore 51 51N >0 In tutti gli altri casi interruttore N Nota: La specifica DK5600 identifica le protezioni con codifica differente da quella normalizzata: H 51 Protezione di massima corrente, H 67 Protezione direzionale di terra, H 51N Protezione di massima corrente omopolare. La protezione PG deve avere le caratteristiche riportate nell allegato PG della DK La conformità a tale documento deve essere attestata da una documentazione di prova emessa da un laboratorio accreditato da un ente (in Italia il SINAL) facente capo all EA europeo. L allegato PG prevede un pannello protezioni dotato di: H comandi e segnalazioni locali del dispositivo DG, H protezioni per le quali sono indicate precisioni e campi di taratura, H alimentazione ausiliaria in corrente continua, o fornita da UPS che garantisca almeno 2 ore di funzionamento, tale da assicurare l apertura di DG anche in assenza di tensione sul lato B. Per i clienti che hanno un impianto M semplice e/o con ridotto rischio di guasto, ovvero: H senza linee M aeree in conduttori nudi, H con cavi M di lunghezza <500 m, H con trasformatori in un unico locale, è ritenuta sufficiente la sola protezione di massima corrente omopolare 51N con una soglia d intervento. I clienti che hanno un impianto M complesso e/o con rischio di guasto più elevato, cioè che hanno, in alternativa: H linee M aeree in conduttori nudi, H cavi M di lunghezza >500 m, H trasformatori in cabine diverse, devono installare due protezioni contro i guasti a terra: H una protezione direzionale di terra 67N, che assicura l intervento per guasto monofase a terra nell impianto M cliente; H una protezione di massima corrente omopolare 51N aggiuntiva, che assicura l intervento per doppio guasto a terra su linee diverse di cui uno nell impianto M dell utente. La protezione di massima corrente 51 deve essere alimentata tramite riduttori di corrente (A) di fase capaci di riprodurre la corrente primaria al secondario, in modo sufficientemente fedele e preciso da garantire il funzionamento della protezione, fino alla massima corrente di cortocircuito rilevabile in prossimità di una cabina primaria dotata di trasformatori A/M della taglia unificata più grande. La DK 5600 indica le caratteristiche dei A ritenuti sicuramente idonei per una corrente di cortocircuito massima pari a 000 A. Le caratteristiche dei A di fase indicate, a titolo d esempio nella specifica DK5600, sono: H rapporto 300/5 o 300/1 H classe P30 Il cliente può installare A di fase di caratteristiche diverse, ma è tenuto a dimostrare che il sistema protettivo così realizzato ha le caratteristiche richieste. Le protezioni di terra 51N e 67N devono essere alimentate tramite un riduttore di corrente (A) toroidale omopolare capace di riprodurre la corrente primaria al secondario, in modo sufficientemente fedele e preciso da garantire il funzionamento delle protezioni, fino alla massima corrente di doppio guasto a terra. La DK5600 indica le caratteristiche del A toroidale ritenuto sicuramente idoneo per una corrente di doppio guasto a terra massima pari a 2000 A. Le caratteristiche del A toroidale omopolare indicate dal Distributore sono: H rapporto 0/1, H classe 5P20. Il cliente può installare un A toroidale omopolare di caratteristiche diverse, ma è tenuto a dimostrare che il sistema protettivo così realizzato ha le prestazioni richieste. Nota Bene. La Delibera per l Autorità dell Energia accetta il dispositivo IMS + fusibile come dispositivo generale in impianti già esistenti a patto che: --- si esegua regolare manutenzione sul dispositivo generale; --- la periodicità delle verifiche sia semestrale; --- venga eseguita da aziende specializzate e con requisiti certificati ISO; --- si tenga un registro degli interventi di manutenzione. Si deve porre particolare attenzione a riguardo del fusibile e in particolare: --- alla corretta taglia per garantire la selettività con la protezione in cabina primaria (fusibile con corrente non superiore a 40A a 20kV e 63A a 15kV); --- alla verifica dell integrità della terna di fusibili dopo un intervento. Si consiglia la sostituzione della terna anche se l intervento ha interessato un solo fusibile. dossier tecnico n.3/m--b 17

20 18 dossier tecnico n.3/m--b

21 3 Apparecchidiprotezione in bassa tensione La norma di prodotto CEI EN La conformità alla norma CEI EN a partire dal 1997, può essere considerata un assicurazione contro qualsiasi rischio nell utilizzo degli interruttori automatici. Questanormaèstataapprovataalivello europeo. Iprincipi La norma definisce le caratteristiche essenziali richieste agli interruttori automatici ad uso industriale: H classificazione secondo la categoria d impiego, H l attitudine al sezionamento, H le caratteristiche elettriche di regolazione degli sganciatori (allegato K), H le informazioni utili all impiego, H i criteri costruttivi, H il coordinamento delle protezioni (allegato A). La stessa norma stabilisce anche una serie di prove di tipo a cui è necessario sottoporre gli interruttori automatici. ali prove riproducono le reali condizioni di impiego degli interruttori secondo una sequenza di test ben definita. abella delle caratteristiche principali Norma CEI EN Allegato K Caratteristiche Descrizione in tensione in corrente in cortocircuito sganciatori Ue Ui Uimp In Ith Ithe Iu Icm Icu Ics Icw Ir 1.05 x Ir 1.3 x Ir Ii Isd tensione nominale di impiego tensione nominale di isolamento tensione nominale di tenuta ad impulso correntenominalediimpiego corrente termica convenzionale in aria libera corrente termica convenzionale in involucro corrente nominale ininterrotta potere di chiusura nominale in cortocircuito potere di interruzione nominale estremo in cortocircuito potere di interruzione nominale di servizio in cortocircuito corrente nominale ammissibile di breve durata corrente di regolazione di sovraccarico corrente convenzionale di non intervento corrente convenzionale di intervento corrente di regolazione di intervento istantaneo corrente di regolazione di intervento di corto ritardo Categoria di interruttori automatici La norma definisce anche due categorie di interruttori automatici: H Categoria A, comprende interruttori per i quali non è previsto alcun ritardo intenzionale allo sgancio. Si tratta di interruttori modulari e scatolati fino a 630A per i quali è realizzabile la selettività amperometrica ed energetica. H Categoria B, comprende interruttori per i quali è possibile ritardare intenzionalmente lo sgancio per correnti di cortocircuito inferiori alla Icw. Si tratta di interruttori scatolati di grossa taglia o di interruttori di tipo aperto. In questo caso è importante avere una Icw elevata il più possibile prossima al potere di interruzione Icu per avere un limite di selettività elevato. dossier tecnico n.3/m--b 19

22 3.1.2 Richiami sulle caratteristiche elettriche nominali Le caratteristiche di regolazione sono fornite da curve di intervento identificate dalle seguenti correnti. H Correntenominaled impiego(in). Corrente ininterrotta massima sopportata ad una specifica temperatura ambiente (40 C) senza riscaldamento anomalo. utte le seguenti caratteristiche sono definite per una data tensione di impiego (Ue). H Potere di chiusura nominale in cortocircuito (Icm). E il valore massimo del primo picco della corrente di cortocircuito asimmetrica che l interruttore automatico èingradodistabilireeinterrompere. H Corrente di regolazione di sovraccarico (Ir). DipendedallacorrentenominaleInedal campo di regolazione ammesso dallo sganciatore. Per correnti inferiori a Inf la protezione non interviene, per correnti superiori a If la protezione interviene secondolacurvaatempoinverso caratteristica dello sganciatore. Questa soglia è detta Protezione di Lungo Ritardo. H Potere di interruzione nominale estremo (Icu). E il valore massimo della corrente di cortocircuito che l interruttore può interrompere sotto determinate condizioni (tensione, fattore di potenza in cortocircuito,.. ). ale valore viene verificato in base a una sequenza prestabilita (due interruzioni) dopo la quale il dispositivo deve garantire ancora un livello di sicurezza accettabile. H Corrente di regolazione intervento in cortocircuito (Isd). Dipendedallacorrentenominaleoppure dalla corrente di regolazione a secondo selosganciatoreèrispettivamentedel tipo magnetotermico o elettronico. L apertura dell interruttore può avvenire in uno dei seguenti modi: --- a tempo costante con temporizzazione tsd; --- a tempo dipendente secondo l inclinazione corrispondente alla funzione i 2 t=cost, --- a tempo istantaneo (in analogia con la protezione ad intervento istantaneo). Questa protezione è chiamata Protezione di Corto Ritardo. H Corrente di regolazione intervento istantaneo (Ii). Dipende dalla corrente di regolazione della Protezione di Corto Ritardo. In presenza di un cortocircuito non impedente, quindi con correnti elevate, l interruttore automatico deve interrompere istantaneamente la corrente di guasto. La soglia istantanea, compatibilmente con le caratteristiche di tenuta dell interruttore (Icw), può essere inibita per migliorare i livelli di selettività,. H Potere di interruzione nominale di servizio (Ics). Esprime, in valore % di Icu, l attitudine di un interruttore automatico a garantire un servizio normale dopo avere interrotto per tre volte questa corrente di cortocircuito. Più la Ics è prossima alla Icu più l interruttore è performante e adatto per garantire una maggior continuità di servizio. Al termine del triplo ciclo di interruzione il dispositivo deve garantire in particolare modo: --- la tenuta dielettrica; --- il funzionamento della protezione contro i sovraccarichi. H Corrente nominale di breve durata ammessa (Icw). Caratterizza gli interruttori automatici di categoria B. Rappresenta la corrente di cortocircuito massima che l interruttore automatico può sopportare per una breve durata (0,5, 1, 3s) senza l alterazione delle proprie caratteristiche. FIG. 20: Esempio di caratteristica di intervento. t tr i 2 t=cost ts Ir Isd Ii Icu I 20 dossier tecnico n.3/m--b

23 Rapporto n tra il potere di chiusura (Icm) eilpoterediinterruzioneincortocircuito(icu). Icu (ka) (valore efficace) da 4.5 a 6 Oltre 6 fino a Oltre fino a 20 Oltre 20 fino a 50 Oltre 50 Fattore di potenza Valore minimo del fattore n = Icm /Icu I I Icm Icu t t Durata del transitorio FIG Coordinamento selettivo tra interruttori automatici La selettività consiste nel garantire il coordinamento tra le caratteristiche di funzionamento di interruttori installati in serie in modo che, in caso di guasto a valle, intervenga soltanto l interruttore posizionato immediatamente a monte del guasto. La norma CEI EN identifica un valore di corrente Is che definisce il limite di selettività tale che: H se la corrente di guasto è inferiore al valore Is interviene soltanto l interruttore automatico D2 a valle (selettività totale); H se la corrente di cortocircuito è superiore a Is intervengono entrambi gli interruttori D1 e D2 (selettività parziale). Se il limite di selettività (Is) sfrutta il criterio energetico il coordinamento è supportato da prove specifiche effettuate dal costruttore che fornirà apposite tabelle di selettività. La norma CEI EN definisce anche le prove relative al coordinamento in serie o coordinamento di sostegno (filiazione), argomento trattato in altro documento tecnico. dossier tecnico n.3/m--b 21

24 3.2 ecniche di selettività in bassa tensione Interviene solo D2 D1 Icc presunta D2 Intervengono sia D2 che D1 Gliapparecchidiinterruzioneinbassa tensione hanno elevata capacità di limitazione della corrente di cortocircuito. ale caratteristica è tanto più accentuata quanto la corrente nominale dell interruttore è piccola. Quindi se si utilizzano interruttori a valle con correnti nominali non superiori a 630A il coordinamento selettivo è di tipo energetico, mentre in presenza di interruttori con corrente superiore a 630A la selettività con l interruttore a monte è prevalentemente di tipo cronometrico. I limiti di selettività (Is) deducibili dalle relative tabelle devono essere poi confrontati con la corrente di cortocircuito presunta sull impianto per definire il reale livello di selettività. 0 D2 Is Icc presunta Ist t D2 D1 D1 D2 Is Icu D2 Icu D1 Coordinamento selettivo I FIG.22 LEGENDA: Icu: potere di interruzione degli interruttori D1 e D2 Is: corrente di scambio corrispondente al limite di selettività. Il limite di selettività può essere superiore alla corrente di intervento istantaneo dell interruttore a monte se si sfrutta l effetto di limitazione dell interruttore a valle. 22 dossier tecnico n.3/m--b

25 3.2.1 Selettivtà amperometrica t A =t B FIG.23 t B apre solo B A I rb I mb I ma aprono AeB A IS B IS Icc Icc Selettività amperometrica Questa tecnica è direttamente legata alla differenziazione delle curve di intervento di lungo ritardo e di corto ritardo. Il limite di selettività è dato dalla soglia di intervento istantaneo (Im oppure Isd) dell interruttore a monte. Si applica prevalentemente a livello di distribuzione intermedia e terminale dove gli interruttori sono istantanei e conduce, solitamente, a selettività parziale. Il coordinamento è tanto più efficace quanto più si differenziano le correnti di cortocircuito nei punti in cui si installano gli interruttori e quindi in presenza di conduttori di piccola sezione e/o di linee di notevole lunghezza. Per migliorare la selettività è quindi opportuno suddividere il più possibile le partenze. In generale si devono rispettare le seguenti condizioni: H Ir monte ² Ir valle x 1,6 H Im monte ² Im valle x 1, Selettività cronometrica t t ra t ib B A gradino 1 gradino A EMP B IS apre solo B Icc Selettività cronometrica I rb I cub senzasogliaistantanea t ra = ritardo sgancio FIG. 24 t t ra t ib B A gradino gradino 1 Icc t ib = tempo di interruzione A EMP B IS Icc Selettività cronometrica apre solo B aprono A e B con soglia istantanea I rb I ista t ra = ritardo sgancio Icc t ib = tempo di interruzione Questa tecnica permette di estendere la selettività oltre i limiti di selettività amperometrica utilizzando interruttori di categoria B. Si attua differenziando i tempi di intevento e quindi imponendo un ritardo all intervento della protezione di corto ritardo a monte (D1). Gli sganciatori cronometrici hanno temporizzazioni selettive tra loro, quindi è sufficiente regolare la protezione su gradini differenti. Attenzione: il tempo massimo di interruzione (t tot ) è la somma del tempo massimo senza sgancio ( t) e del tempo di interruzione (t int ). ali sganciatori permettono di ottenere fino a quattro livelli di selettività cronometrica. Se l interruttore ha una corrente di breve durata Icw pari al suo potere di cortocircuito Icu la selettività cronometrica è totale (vedere figura 24). Qualora l interruttore abbia una Icw inferiore alla Icu, la temporizzazione non può essere mantenuta oltre la soglia istantanea Ii. Al di sopra di tale soglia l interruttore diventa istantaneo e di conseguenza la selettività potrebbe diventare parziale con limite pari a tale soglia (vedere figura ). Al fine di garantire la selettività per tutte le sovracorrenti (sovraccarico, cortocircuito impedente, cortocircuito franco), si devono rispettareancheleregolerichiesteperla selettività amperometrica oltre alla differenziazione dei tempi di intervento. Se a valle si utilizza un interruttore limitatore è possibile sfruttare il suo effetto di limitazioneeincrementareillimitedi selettività che, in tal caso, supererà la soglia istantanea. FIG. dossier tecnico n.3/m--b 23

26 3.2.3 Selettività energetica t A t B t C FIG. 26 t B A Caratteristica di intervento Compact serie NS I A I B I C I A = soglia di corto ritardo I B = soglia istantanea I C = soglia di sgancio riflesso I 2 t [A 2 S] B A Icc A IS B IS Icc Energia di non intervento Un interruttore limitatore a valle riduce la corrente di cortocircuito presunta e di conseguenza migliora i limiti di selettività. Quando si utilizzano interruttori di categoria A sia a valle che a monte, non è possibile effettuare lo studio di selettività direttamente sulle curve tempo/corrente a causa dell esigua differenza tra i tempi di intervento. Il confronto è fatto tra la curva di limitazione dell energia lasciata passare dall interruttore a valle e l energia minima che provoca lo sgancio dell interruttore a monte. Se le due curve non hanno punti di intersezione la selettività è totale. Per realizzare una selettività di tipo energetico è necessario utilizzare: H sganciatori istantanei con tempi di risposta dipendenti dalla corrente di guasto e differenziati per taglia; H interruttori fortemente limitatori con una soglia di repulsione dei contatti differenziata per taglia. Questa tecnica permette di raggiungere elevati livelli di selettività (fino alla totale) senza ritardi intenzionali allo sgancio e quindi ridurre al minimo le sollecitazioni, dovute alle correnti di cortocircuito, sulle condutture (cavi e condotti sbarre) e sui quadri. Il coordinamento necessita di prove specifiche che il costruttore deve eseguire secondo quanto indicato dalla norma e il cui esito viene indicato in apposite tabelle. Energia passante I A I B I C Icc I A = soglia magnetica / corto ritardo I B = soglia istantanea I C = soglia di sgancio riflesso FIG dossier tecnico n.3/m--b