Guida al coordinamento delle protezioni nei guasti a terra in cabina MT/BT

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1 Guida al coordinamento delle protezioni nei guasti a terra in cabina MT/BT Pubblicato il 25/06/2009 Aggiornato al: 25/05/2009 di Gianluigi Saveri 1 Generalità Nei sistemi di distribuzione in media tensione il neutro può fondamentalmente essere esercito in uno dei modi rappresentati in figura 1: isolato oppure messo a terra, direttamente, attraverso resistenza, reattanza o impedenza. Come è noto, nei sistemi MT lo stato del neutro riveste una grande importanza, in particolare perché condiziona il comportamento del sistema in presenza di guasti monofase a terra (stimabili in oltre il 70% dei guasti). Fig. 1 - Possibili collegamenti a terra del neutro nelle reti di distribuzione in media tensione 1

2 Nel nostro paese la rete pubblica di distribuzione in media tensione è stata finora, nella quasi totalità dei casi, esercita a neutro isolato (fig. 2). Fig. 2 - Sistema a neutro isolato Con neutro isolato il circuito di guasto monofase a terra si richiude attraverso le capacità delle fasi verso terra determinando normalmente modeste correnti di guasto. Rispetto a sistemi con neutro direttamente a terra si ha il vantaggio di avere limitate tensioni totali di terra nelle cabine MT/bt ed una più rapida estinzione dell arco elettrico che si stabilisce durante i guasti a terra transitori. Se però la corrente diventa elevata, vengono meno i vantaggi attesi e si aggiungono invece alcuni svantaggi fra i quali una maggiore difficoltà nella localizzazione dei guasti che non si autoestinguono e la possibilità che si possano manifestare elevate sovratensioni di manovra e di guasto. 2 Con una rete di distribuzione sempre più estesa e con l impiego generalizzato di linee in cavo, la corrente di guasto monofase a terra ha raggiunto valori di parecchie centinaia di ampere annullando in gran parte i benefici derivanti da una rete gestita con neutro isolato. Molti distributori stanno quindi convertendo le reti a neutro isolato a neutro compensato (fig. 3), con il neutro messo a terra tramite un impedenza induttiva detta bobina di Petersen (fig. 4), con lo scopo di ridurre al valore di pochi ampere la corrente

3 di guasto monofase. Sarà nuovamente possibile garantire una buona continuità d esercizio in presenza di guasto a terra, così come accadeva nei sistemi a neutro isolato quando la rete MT era poco estesa: limitando la corrente di guasto monofase a terra (semplificando la realizzazione degli impianti di terra delle cabine MT/BT) ampliando la probabilità di autoripristino dei guasti monofase (evitando quindi l apertura dell interruttore di linea) riducendo in numero, ampiezza e durata le sovratensioni che si manifestano in caso di apertura di linee o di auto-estinzione di guasti riducendo i rischi dell arco intermittente Migliorando la sensibilità delle protezioni per i guasti a terra ad alta resistenza Fig. 3 - Sistema a neutro compensato 3

4 In ogni caso, comunque venga gestito il neutro, l intento che si prefiggono i Distributori è quello di discriminare fra guasti originati all esterno e all interno degli impianti di utenza dei clienti evitando, per quanto possibile, che possano propagarsi, con relativi disservizi, alla rete di distribuzione e di conseguenza alle utenze stesse. Per poter selezionare correttamente i guasti, a seconda che si verifichino sull impianto del Distributore o su quello dell utente, ed evitare interventi indesiderati delle protezioni occorre quindi attuare un appropriato coordinamento fra i dispositivi di protezione. L idea di esercire le reti MT con collegamento a terra attraverso una reattanza induttiva accordata con la capacità complessiva delle fasi verso terra, è stata proposta per la prima volta nel 1916 dall ingegnere tedesco Petersen. Lo scopo è quello, collegando il neutro a terra appunto tramite la cosiddetta bobina di Petersen (fig. 4a), di limitare il valore della corrente di guasto a terra la quale, in teoria, è uguale a zero se l'induttanza della bobina è perfettamente accordata (in risonanza) con la capacità totale della rete. Se con RN indichiamo la resistenza di terra della stazione primaria AT/MT che alimenta la linea e con C0 la capacità verso terra fornita dalle fasi integre, la corrente di guasto monofase a terra (IF) è data dalla somma vettoriale fra la corrente IL che attraversa la bobina e la 4

5 corrente IC che si richiude sulle capacità verso terra (fig. 4b). Poiché le due correnti IL e IC sono fra loro sfasate di 180 la IF si annulla se, scegliendo un opportuno valore dell'induttanza L, la IL risulta uguale in modulo alla IC. Questa condizione, detta di risonanza, non si verifica mai nelle normali condizioni di esercizio. Si ha tuttavia una significativa riduzione della corrente di guasto ottenendo comunque il risultato di favorire l autoestinzione dei guasti transitori e di consentire alla rete di funzionare, garantendo la continuità del servizio, anche con una fase stabilmente a terra, per un tempo in genere sufficiente ad identificare il guasto. Se la bobina è regolabile in modo continuo è possibile avvicinarsi alla condizione di risonanza. Ci si deve però affidare ad un dispositivo in grado di controllare il livello di compensazione in funzione del tempo e di guidare la necessaria regolazione della bobina mobile. In effetti, la messa a terra del neutro non la si ottiene tramite una semplice induttanza, ma mediante un'impedenza composta da (fig. 4c): un'induttanza (L) variabile in relazione alla capacità (C0) verso terra dovuta dalla rete; una resistenza in serie (RS) per limitare la costante di tempo della componente unidirezionale transitoria della corrente di guasto; una resistenza in parallelo (RP) per incrementare la componente attiva della corrente di guasto monofase e permettere il funzionamento delle protezioni wattmetriche. Fig. 4 - Principio di funzionamento della bobina di Petersen 5

6 2 Dispositivi di protezione Affinché i guasti che si verificano sull impianto dell utente non abbiano ripercussioni sull esercizio di tutta la rete, l utente deve predisporre delle protezioni generali di massima corrente e contro i guasti a terra: protezione 50-51, relé di massima corrente per far fronte alle sovracorrenti di fase; protezione 51N, relé di massima corrente omopolare per la rimozione dei guasti monofase a terra; protezione 67N, relé direzionali di terra per la rimozione dei guasti monofase a terra Siccome durante il normale esercizio della propria rete il Distributore può modificare senza preavviso lo stato del neutro le protezioni contro i guasti a terra (fig. 5) devono poter funzionare correttamente indipendentemente dallo stato del neutro. Protezione di massima corrente omopolare (51N) I relé per la protezione di massima corrente omopolare, identificabili con la sigla 51N, rilevano le correnti di guasto verso terra. La caratteristica di intervento (fig. 5a) individua due zone, una di blocco 6

7 e una di funzionamento. Per valori di corrente inferiori alla sensibilità del dispositivo, la corrente si trova nella zona di blocco e il relé non interviene, Per correnti superiori, se il vettore corrente si trova nella zona di funzionamento, dopo un tempo prefissato, si ha l intervento del dispositivo di protezione. Secondo la Norma Cei 0-16 deve possedere due soglie di regolazione non inferiori ai seguenti limiti: Reti a neutro isolato prima soglia, I 0 > (impiegata solo in assenza della 67N): - valore 2 A; - tempo di estinzione del guasto: 170 ms; seconda soglia, I 0 >> ( impiegata solo con presenza della 67N): - valore 140 % della corrente di guasto monofase a terra comunicata dal Distributore; tempo di estinzione del guasto: 170 ms (salvo casi particolari di coordinamento selettivo tra le protezioni MT di utenza basate su scambio di informazioni) Reti a neutro compensato - prima soglia, I 0 > (impiegata solo in assenza della 67N): valore 2 A; tempo di estinzione del guasto: 450 ms (salvo i casi di Utenti con DG semplificato in impianto passivo con trasformatore MT/bt di potenza nominale pari o inferiore a 400 kva, per i quali il tempo ammissibile per la completa estinzione del guasto a terra da parte del DG è elevabile a 800 ms); seconda soglia I 0 >> (sempre presente anche con 67 N); - valore 140 % della corrente di guasto monofase a terra comunicata dal Distributore (tipicamente, 70 A reti a 20 kv e 56 A per reti a 15 kv); - tempo di estinzione del guasto:170 ms (salvo casi particolari di coordinamento selettivo tra le protezioni MT di utenza basate su scambio di informazioni) In alternativa alle regolazioni sopra esposte, per gli utenti di reti a neutro compensato che non necessitano della protezione 67N, può essere impiegata la sola soglia I 0 >, con le seguenti regolazioni: valore 2 A; tempo di estinzione del guasto: 170 ms. Protezione direzionale di terra (67N) I relé direzionali di terra, identificabili con la sigla 67N, effettuano il confronto in modulo e fase della corrente omopolare rispetto alla tensione omopolare. Una prerogativa di questo dispositivo, rispetto al relé 51N, è quella di interviene solo per guasti interni alla linea protetta e di essere invece insensibile ai guasti che si manifestano sulle altre linee. Si ha l intervento quando, in relazione alla tensione omopolare rilevata U 0, la corrente omopolare I 0 si trova in ritardo, mentre quando il guasto si è verificato su un altra linea, diversa da quella protetta con il relè direzionale, la corrente I 0 risulta in 7

8 anticipo rispetto la tensione e non si ha l intervento. La curva di intervento è caratterizzata da due zone: - zona di non intervento, se il vettore corrente si trova in questa zona significa che il guasto è avvenuto su una linea diversa da quella protetta e il relè non interviene; - zona di intervento, se la corrente e la tensione omopolare hanno superatro il limite imposto e l angolo di sfasamento fra tensione e corrente è compreso in un determinato intervallo si ha l intervento del dispositivo perché questo significa che il guasto è accaduto sulla linea protetta. La protezione 67N deve poter funzionare sia con neutro compensato (fig. 5b) sia con neutro isolato (fig. 5c) deve essere pertanto a doppia soglia (escludibili indipendentemente l una dall altra, il Distributore potrebbe trovarsi nella necessità di alimentare a neutro compensato o a neutro isolato), indicate rispettivamente con le sigle 67.S1 e 67.S2. Di seguito sono riportati i valori minimi di regolazione indicati dalla Norma Cei 0-16 per la protezione direzionale di terra relativamente ai livelli di tensione maggiormente diffusi di 15 kv e 20 kv. 67.S1 (neutro compensato): I 0 : 2 A U 0 : 5 V; settore di intervento (ritardo di I 0 rispetto a U 0 ): ; tempo di estinzione del guasto: 450 ms. 67.S2 (neutro isolato): I 0 : 2 A U 0 : 2 V; settore di intervento (ritardo di I 0 rispetto a U 0 ): ; tempo di estinzione del guasto: 170 ms. I 0 = corrente omopolare, U 0 =tensione omopolare, Fig. 5 Dispositivi di protezione contro i guasti a terra 8

9 3 Guasti a terra in un sistema a neutro isolato Guasto esterno all impianto dell utente - In una rete a neutro isolato la protezione generale dell utente può essere a massima corrente omopolare (51N). In condizioni di normale esercizio (figura 2) il TA installato sulla linea A dell utente (la linea B rappresenta l equivalente della rete del Distributore), rileva una corrente I 0 prossima allo zero, essendo le correnti capacitive in assenza di guasti praticamente inesistenti. Il 51N non apre perché la corrente percepita si trova all interno della sua zona di non intervento. Fig. 6 - Sistema a neutro isolato con guasto esterno alla linea (corta) dell utente Il 51N non deve intervenire nemmeno per guasti esterni all impianto dell utente, ma questo è vero solo se la linea dell utente è poco estesa (fig. 6). La protezione di massima corrente omopolare 51N non è infatti in grado di riconoscere il senso della corrente di guasto ed in alcuni casi, se la corrente rilevata si trova nella sua zona di intervento, potrebbe aprire il circuito anche per un guasto monofase a terra esterno all impianto. L intervento indesiderato dipende dalla corrente che si richiude attraverso la 9

10 capacità costituita dai cavi dell utente a valle della protezione stessa. Nel caso di linee lunghe, con capacità verso terra consistenti, la protezione 51N potrebbe rilevare anche i guasti che si verificano a monte dell impianto dell utente o presso linee di utenti vicini e aprire il circuito dell utente. Pertanto, o la corrente capacitiva, ricavabile approssimativamente con la formula IC=0,2 x L x V, è limitata allo 80% della soglia di intervento indicata dal Distributore per la protezione 51N (fissata di norma a 2A, quindi 0,8x2=1,6 A) oppure si deve prevedere anche una protezione 67N. La massima lunghezza, distinguendo quindi fra linea lunga e linea corta, oltre la quale è necessaria la 67N può essere ricavata dalla relazione precedente dove L è la lunghezza della linea in km, V è la tensione del sistema di distribuzione in kv. Ponendo 0,2 x L x V = 1,6 si può ottenere la lunghezza oltre la quale occorre la protezione 67N che risulta essere pari a 533 m per linee a 15 kv ed a 400 m per linee a 20 kv. In caso di linea lunga (fig. 7), presente anche il 67N, con un guasto esterno all impianto dell utente il TA installato sulla linea A rileva I0=ICA. La presenza del 67N non esclude comunque l impiego del 51N, necessario per rilevare i doppi guasti monofase a terra (descritti più avanti) che però in questo caso risulta insensibile alla corrente I0, essendo tarato per un elevato valore di corrente (tipicamente 120 A). Non interviene nemmeno il relé di protezione direzionale 67N, essendo il vettore corrente 90 in anticipo rispetto alla tensione omopolare del sistema, che riesce quindi a distinguere fra guasti esterni o interni all impianto dell utente. Fig. 7 - Sistema a neutro isolato con guasto esterno alla linea (lunga) dell utente 10

11 Guasto interno all impianto dell utente - Se il guasto capita sulla linea dell utente la situazione, per una linea corta, può essere schematizzata come in figura 8. Il guasto produce una corrente verso terra I F e viene rilevato dal toroide mediante la corrente residua I 0 provocando, eventualmente, l intervento del relé 51N. Infatti, dopo un tempo prestabilito, se il vettore corrente ricade nella zona di intervento, il relé provoca l apertura del dispositivo di protezione dell impianto. Fig. 8 - Sistema a neutro isolato con guasto sulla linea (corta) dell utente Se la linea è lunga, l elevato contributo capacitivo fornito alla corrente di guasto dalla linea dell utente impone l installazione anche del 67N. Con riferimento alla figura 9, un guasto monofase sulla fase L1A provoca una corrente di guasto IF verso terra risultato dell apporto capacitivo della linea A e della linea B. Il TA inserito sulla linea A dell utente avverte la differenza fra la corrente di guasto IF=ICA1+ICA2+ICB e la corrente capacitiva ICA2 che percorre le fasi non affette da guasto della linea A (I0= -ICA1-ICB). Il valore della corrente I0 non supera comunque la soglia di taratura del relé 51N (la 51N deve intervenire per correnti alte), che non interviene, mentre interviene il 67.S2. 11

12 Fig. 9 - Sistema a neutro isolato con guasto sulla linea (lunga) dell utente 12

13 4 Guasti a terra in un sistema a neutro compensato Si prenda quale esempio un guasto a terra sulla fase L1A (fig. 10). La corrente di guasto IF risultante è sostenuta dagli apporti capacitivi ICA1 e ICA2, derivati dalla linea A del Distributore e dalla linea A dell utente, da quello capacitivo ICB, proveniente dalla linea B, e dalla corrente puramente induttiva IB e puramente ohmica IR, dovute all induttanza e alla resistenza della bobina di Petersen. La corrente capacitiva a terra del sistema è dunque compensata dalla corrente induttiva della bobina e il TA sente, facendo intervenire il relé direzionale di terra (soglia 67.S1), la corrente resistiva IR e la corrente capacitiva ICA1 proveniente dalla linea A di competenza del Distributore (I0=-IR-ICA1). Fig Sistema a neutro compensato con guasto sulla linea dell utente Se il guasto avviene sull impianto del Distributore il TA dell utente apprezza solamente la corrente capacitiva ICA1dovuta alla sua linea A e di conseguenza I0=ICA1. Non si ha però l intervento del 67, nemmeno per valori di corrente superiori a quello di taratura, perché il vettore I0 si trova a 90 in anticipo rispetto alla tensione omopolare del sistema, e quindi nella zona di non intervento del relé. Non scatta nemmeno il 51N perché anche in questo caso, essendo tarato per una corrente superiore, ci troviamo nella zona di non intervento. 13

14 Fig Sistema a neutro compensato con guasto esterno alla linea dell utente 14

15 5 Doppio guasto monofase a terra Il caso del doppio guasto monofase a terra, in cui due fasi diverse vanno a terra, è rappresentato in fig. 12, nell esempio causato da un guasto sulle fasi L1A e L1B. Fig. 12 Sistema a neutro isolato o compensato con doppio guasto monofase a terra Sia nel caso di neutro isolato sia nel caso di neutro compensato, la corrente di guasto IF che si stabilisce si richiude prevalentemente attraverso i conduttori della linea ed i rispettivi avvolgimenti di media tensione del trasformatore. Si tratta di correnti piuttosto elevate, dell ordine di una corrente di cortocircuito tra due fasi, nella composizione delle quali risulta irrilevante l apporto delle correnti capacitive. Le correnti omopolari rilevabili sulle due linee guaste sono fra loro praticamente in opposizione di fase e lo sfasamento fra corrente omopolare e tensione omopolare è dovuto alla resistenza di guasto e al senso ciclico delle due fasi soggette a guasto a terra. La direzione della corrente rilevata dalla protezione direzionale 67N dell utente può avere lo stesso verso oppure verso contrario di quello di taratura della 67N che quindi potrebbe intervenire o non intervenire. Il doppio guasto monofase a terra deve però essere istantaneamente eliminato e pertanto, oltre alla 67N, si rende indispensabile anche la protezione 51N in grado di intervenire senza ritardo intenzionale se si 15

16 supera la sua soglia di taratura. Se tale soglia non viene superata, in funzione delle relazioni vettoriali esistenti fra tensione omopolare e corrente omopolare, potrebbe viceversa intervenire la protezione direzionale di terra 67N. 16