Scarica CAPITOLO V 0708 - Impianti elettrici e più Sintesi del corso in PDF di Elettrotecnica solo su Docsity! CAPITOLO V COMPONENTI DELL’IMPIANTO ELETTRICO ISTEMI DI PROTEZIONE 1. Generalità Un sistema di protezione percepisce la presenza di una condizione di funzionamento anormale ed interviene al fine di contenerne le conseguenze. Si considerano nel seguito sistemi di protezione contro le sovracorrenti e contro le sovratensioni, a seconda che la condizione di funzionamento anormale sia legata a scostamenti dei valori di corrente o tensione dai valori che garantiscono il normale funzionamento di un sistema elettrico. Si fa riferimento esclusivamente ai media e bassa tensione. istemi di protezione per impianti elettrici in 2. Sistemi di protezione contro le sovracorrenti 2.1 Generalità Nel seguito, vengono analizzati alcuni esempi di possibili sistemi di protezione contro le sovracorrenti impiegati in schemi tipici degli impianti di media e bassa tensione. Lo studio viene condotto per le linee in base al livello di tensione (linee in media tensione, in bassa tensione) e per il trasformatore MT/BT. Viene prima introdotta la definizione di selettività di un sistema di protezione; inoltre, poiché i sistemi di protezione contro le sovracorrenti presenti in un impianto elettrico a media e bassa tensione si differenziano a seconda dello schema elettrico che in esso viene impiegato, vengono premesse anche alcune brevi considerazioni sugli schemi stessi. 2.1.1 Selettività Qualunque sia il sistema di protezione è bene osservare che esso deve avere molteplici requisiti (selettività, rapidità di intervento, affidabilità, ecc.); un sistema di protezione contro le sovracorrenti è selettivo quando, verificatasi una condizione di funzionamento anormale, esso mette fuori servizio solo il componente o la parte di impianto in cui si verifica la suddetta condizione, permettendo così alle rimanenti parti del sistema elettrico di rimanere in servizio. -V2- 2.1.2 Schemi elettrici negli impianti elettrici a media e bassa tensione La distribuzione e l’utilizzazione dell’energia elettrica a media e bassa tensione avviene impiegando molteplici strutture, alcune tipiche della sola media tensione altre della sola bassa tensione ed altre, infine, di impiego comune. Nel seguito si farà riferimento solo alle principali strutture, dette di base. Esse si possono ricondurre essenzialmente alle seguenti tipologie: e radiale semplice; @ radiale con richiusura; ® anello. La struttura radiale semplice (fig.V.1) è caratterizzata da un flusso unidirezionale dell’energia elettrica. Tale struttura presenta i seguenti vantaggi: @ minimo costo dei materiali e dell’installazione; ® minore impiego di spazio; ® semplicitàe chiarezza della configurazione, con ovvi vantaggi per la manutenzione e per le manovre di intervento. Presenta, per contro, i seguenti svantaggi: ® unicità di ciascun componente; ® nessuna flessibilità di esercizio. AT Stazione AT/MT o cabina primaria MT Tio | Cabina MT/BT 8 Fig. V.1 - Struttura radiale semplice -V.S- Fig. V.3 - Sistema di protezione con relè a massima di corrente di una linea MT con un solo carico Se avviene un corto circuito polifase in un punto della linea, ad esempio nel punto P, il relè a massima di corrente percepisce la presenza della condizione di funzionamento anormale e comanda l'interruttore all’ apertura. Si consideri, adesso, il caso di più tratti di linea in serie separati da sbarre, dalle quali si dipartono altre linee o carichi elettrici; questo potrebbe essere, ad esempio, il caso della struttura radiale con richiusura (fig.V.2) nella quale si suppone che tre sbarre sono alimentate da un lato. In questo caso è necessario installare a valle di ogni sbarra un sistema di protezione del tipo di quello della fig.V.3. Per garantire la selettività, sarà necessario che i tempi di intervento dei vari relè siano adeguatamente crescenti man mano che ci si avvicina al punto di alimentazione (fig.V.4); più in particolare, è necessario che il tempo di intervento del relè del sistema di protezione SP2 (SP1) sia maggiore del tempo di intervento del relè del sistema di protezione SP3 (SP2) di un intervallo di tempo pari almeno al tempo di interruzione dell’interruttore del sistema di protezione SP3 (SP2). Ci 1 C i G Fig. V.4 - Sistemi di protezione con relè a massima di corrente di più tratti di linea MT con più carichi Le condizioni citate per la verifica della selettività si possono immediatamente comprendere con un semplice esempio; si supponga che avvenga un corto circuito nel punto P della fig.V.4, cioè a valle di SP3. E’ evidente che tutti i relè a massima di corrente presenti a monte del punto di guasto percepiranno la presenza di una sovracorrente, ma uno solo di loro, al fine di garantire la selettività, deve comandare l’intervento del proprio interruttore: il relè installato in SP3; se ciò avviene, infatti, viene disalimentato il minor numero possibile di carichi, e cioè il carico G; (se, ad - V.6- esempio, il relè posto in SP2 comandasse all’apertura l'interruttore ad esso associato si avrebbe la disalimentazione anche di C,). Perché ciò avvenga è necessario, evidentemente, che il tempo di eliminazione del guasto del sistema di protezione SP3 (somma del tempo di intervento del relè posto in SP3 e del tempo di interruzione dell’interruttore ad esso associato) sia minore del tempo di intervento del relè posto in SP2 e, conseguentemente, di quello posto in SP1; solo in tal caso, infatti, il guasto nel punto P viene eliminato prima che il relè posto in SP2, e tanto più quello posto in SPI, invii il comando di apertura all’interruttore ad esso associato. Come mostrato nella figura V. 5, il sistema di protezione può essere installato anche solo sul primo tratto, SP1, mentre gli alti tratti sono caratterizzati dalla presenza di soli interruttori di manovra sezionatori (IMS). P SPI E Ci C Cz Fig. V.5 - Sistema di protezione con relè a massima di corrente solo sul primo tratto di linea MT con più carichi Si consideri, adesso, il caso di guasto monofase a terra. A questo tipo di corto circuito, per i motivi illustrati nel seguito, non sono associate correnti di valore elevato, per cui i emi di protezione adottati per i guasti polifase non possono essere impiegati. Più in particolare, nel caso di corto circuito monofase la corrente di corto circuito monofase è limitata dalle capacità verso terra delle fasi non soggette a guasto per cui la sua intensità è tanto limitata da non dar luogo all’intervento del relè a massima di corrente. D’altra parte, anche se il valore della corrente di corto circuito è tanto piccola da non costituire di per sé causa di pericolo per le persone o le ci Ss va comunque rilevata ed eventualmente eliminata; a tal fine vengono impiegati sis di protezione dotati di relè di tensione omopolare o di relè varmetrici direzionali. Per comprendere i motivi che portano all'impiego di suddetti relè, è necessario premettere alcune considerazioni sui fenomeni che accompagnano un corto circuito monofase in una linea in MT del tipo evidenziato in precedenza. Si consideri inizialmente il caso di una linea in MT di una struttura radiale semplice che si diparte dalle sbarre del trasformatore AT/MT. Si assuma, per semplicità di trattazione, che le impedenze serie del trasformatore e della linea siano di valore trascurabile; si supponga, poi, che le capacità verso terra della linea siano concentrate in un sol punto. In condizioni di funzionamento normali (fig.V.6), le tensioni delle fasi rispetto a terra V' e quelle delle fasi rispetto al centro stella del secondario del trasformatore AT/MT Vi; sono uguali tra loro, perché il centro stella N è allo stesso potenziale di terra T. Ne consegue, ovviamente, che la somma delle tensioni delle fasi rispetto a terra è uguale a zero. -VI- In condizioni di corto circuito monofase a terra (fig.V.7), ad esempio della fase 3, la fase guasta si porta al potenziale di terra (per semplicità si assume che l’impedenza del guasto è nulla), mentre le due fasi non affette da guasto assumono verso terra un valore di tensione pari alla tensione concatenata. Ne consegue che la somma delle tensioni delle fasi rispetto a terra non è più nulla, ma pari alla somma vettoriale di due tensioni concatenate. Fig. V.6 - Rappresentazione schematica di una linea in MT con centro stella isolato e diagramma fasoriale delle tensioni in condizioni di funzionamento normali AT Fig. V.7 - Rappresentazione schematica di una linea in MT con centro stella isolato e diagramma fasoriale delle tensioni in condizioni di corto circuito monofase a terra della fase 3 Da quanto evidenziato in precedenza appare chiaro che la grandezza da tenere sotto controllo per discriminare la presenza di un corto circuito monofase è proprio la somma delle tensioni delle fasi rispetto a terra: tale grandezza è uguale a zero in - VA0 - linea (b) e E bui Cob| Cob| € i eek ‘ob| Gov + = TT * linea (a) =< >» — Fig. V.10 - Rappresentazione schematica di più linee in MT che si dipartono dal secondario di un trasformatore AT/MT con centro stella isolato, in condizioni di corto circuito monofase a terra: percorso della corrente di guasto e diagramma fasoriale. CSA 183 ud, [Coal Coal a Fig. V.11 - Relè varmetrici direzionali per la protezione contro i corto circuiti monofase di più linee in MT con centro stella isolato. -VAI- b) Linee della struttura ad anello Si consideri adesso il caso in cui la struttura della rete è ad anello. Per quanto riguarda la protezione contro i guasti polifase, poichè nelle reti ad anello il flusso dell’energia non è unidirezionale, fig.V.12, è necessario istallare, sia a monte che a valle di ciascuna sbarra da cui sono derivate linee o carichi, sistemi di protezione oltre che con relè a massima di corrente anche con relè direzionale; solo così facendo, infatti, se avviene un corto circuito in un punto qualsiasi di una di linea si è sicuri di garantire la selettività dei sistemi di protezione. Se, ad esempio, si ipotizza un corto circuito nel punto P della fig.V.12 interverranno SP2a ed SP2b, con la conseguenza che i carichi presenti in B e C continueranno, a valle dell’intervento dei suddetti sistemi di protezione, ad essere ugualmente alimentati. La necessità della ulteriore presenza di relè direzionali e non a massima di corrente è, ovviamente, legata al fatto che in loro assenza i due relè a massima di corrente a monte ed a valle di ciascuna sbarra misurerebbero la stessa corrente ed interverrebbero con un tempo di intervento minore, con conseguente inutile disalimentazione del carico alimentato dalla sbarra presso cui essi sono installati. Per quanto riguarda la protezione contro i guasti monofase, valgono, di larga massima, considerazioni analoghe a quelle fatte per la struttura radiale. Per guasto monofase in P sulla linea B-C una corrente omopolare dalle sbarre A interr il sistema di protezione SP2a così come una corrente omopolare fornita dalle sbarre D interessa il sistema di protezione SP2b; si può proteggere l’intera rete con relè varmetrici direzionali, detti relè direzionali di terra, di tipo temporizzato. Fig. V.12 - Sistemi di protezione per guasti polifase e monofase 2.2.2 Sistemi di protezione contro le correnti di corto circuito nel caso di centro stella connesso a terra tramite una induttanza (bobina di Petersen). Nel seguito viene affrontato solo il problema dei sistemi di protezione contro i guasti monofase, in quanto la connessione del centro stella a terra tramite una induttanza, per ovvi motivi, non modifica il comportamento della linea nel caso di corto circuito polifase rispetto al caso del centro stella isolato; nei due casi, pertanto, vengono impiegati gl. sistemi di protezione contro i corto circuiti trifase e bifase. Non verrà, poi, considerato il caso delle linee con struttura ad anello. Si faccia, inizialmente, riferimento al caso di una linea di una struttura radiale semplice (fig. V.13) alimentata da un trasformatore AT/MT il cui secondario ha il -VA2- centro stella connesso a terra tramite una induttanza. Il motivo principale per cui si ricorre all’uso di tale induttanza è che, grazie ad essa, come si vedrà tra breve, è possibile la autoestinzione di quasi la totalità dei guasti monofase a terra (quelli che non sono di natura permanente), con ovvi benefici sulla continuità di esercizio della linea. Fig. V.13 - Rappresentazione schematica di una linea in MT con bobina di Petersen e diagramma fasoriale delle tensioni in condizioni di corto circuito monofase a terra della fase 3. In condizioni di funzionamento normali vale sempre il diagramma fasoriale delle tensioni riportato nella fig. V.6. Quando si verifica un corto circuito monofase, ad esempio della fase 3, se, per semplicità, si trascurano le componenti transitorie, la corrente di guasto I, è somma di due componenti sinusoidali: la prima 7, che si richiude attraverso l’induttanza e la seconda I. che si richiude attraverso le capacità verso terra delle fasi non affette da guasto. Se si sceglie il valore dell’induttanza opportunamente, si può fare in modo che le due correnti citate in precedenza in opposizione di fase siano, almeno teoricamente, uguali in modulo, in modo tale che la corrente di guasto I, (somma delle due componenti succitate) risulti in valore nullo, con la conseguenza che, se il guasto è di natura transitoria, esso si autoestingue. Si può calcolare il valore dell’induttanza necessaria a verificare tale condizione grazie al circuito semplificato riportato nella fig. V.14. In tale circuito si sono trascurate le impedenze serie del trasformatore e della linea e si è ipotizzato un corto circuito netto. - VAS - x» Lan a b) o) d Fig. V.16 - Interruttore automatico: a) Simbolo CEI; b ) interruttore magnetotermico, c)caratteristica di intervento; d)integrale di Joule Come già detto, salvo casi rari, sulla b: impiegata la struttura radiale semplice. In conseguenza della presenza del collegamento a terra del centro stella del secondario del trasformatore MT/BT, anche i cortocircuiti monofase sono caratterizzati da elevati valori di corrente, per cui per le linee in BT viene impiegato un unico sistema di protezione per tutti i tipi di corto circuito (monofase e polifase). I sistemi di protezione contro le correnti di corto circuito (monofase e polifase) e contro le correnti di sovraccarico impiegati sono: ® interruttori automatici, dotati di relè magnetotermici; ® fusibili a cartuccia. Quando più sistemi di protezione sono disposti in serie, si pone anche in ba: tensione il problema di garantire la selettività. Nel caso specifico della bassa tensione, facendo, ad esempio, riferimento al caso di interruttori automatici in serie, per ottenere una selettività totale il sistema di protezione a valle avrà una caratteristica d'intervento! opportunamente traslata rispetto a quella del sistema di protezione a monte; la traslazione viene ottenuta in senso verticale (selettività cronometrica) (fig. V.17) o in senso orizzontale (selettività amperometrica) (fig. V.18). In certi casi può essere ammissibile che i due dispositivi di protezione in serie presentino un campo di selettività delimitato (fig. V.19) da una corrente limite di selettività I. Dal valore di corrente di corto circuito uguale a I non si sa quale interruttore interviene. Si parla allora di selettività parziale. a tensione è quasi universalmente ! Le norme non stab: ono la forma che deve avere la caratteristica d'intervento, ma solo alcune porte entro cui ceve essere contenuta- Una di queste porte è delimitata dalla corrente convenzionale di non intervento (I,,) e dalla corrente convenzionale di intervento (I;). La corrente convenzionale di non intervento, I,;,, è quel valore specificato di corrente che non provoca, in condizioni determinate, l’intervento dell’interruttore per un intervallo di tempo convenzionale. La corrente convenzionale di intervento, I,, è quel valore specificato di corrente che provoca, in condizioni determinate, l’intervento dell’interruttore entro un intervallo di tempo convenzionale. - V.16 - Le Li I Fig. V.17 - Esempio di selettività cronometrica Fig. V.18 - Esempio di selettività amperometrica t la (corrente limite di selettivito') Icc Fig. V.19 - Esempio di selettività parziale Sia la selettività amperometrica che quella cronometrica hanno dei limiti. La prima è applicabile in BT in quanto le impedenze delle linee hanno valori significativi e comportano correnti di cortocircuito abbastanza variabili dalla sorgente ai punti periferici. In MT la selettività amperometrica si utilizza soltanto fra le protezioni poste a nwnte e a valle dei trasformatori (fra di esse risulta in questo caso interposta la impedenza del trasformatore). La selettività cronometrica, come già detto, si ottiene praticando temporizzazioni tanto più lunghe quanto più le apparecchiature sono prossime alla sorgente di energia. Tale ritardo può risultare eccessivo in quanto è spesso incompatibile con le imposizioni dell’Ente Distributore dell’energia (che richiede un tempo di intervento ridotto a livello di interruttore automatico generale dell’utente). Per ovviare agli inconvenienti che si verificano con la scelta di selettività amperometriche e cronometriche possono adoperarsi unità programmabili a microprocessore che gestiscono più interruttori in cascata. In questo caso infatti a ciascun interruttore è associato un relè (relè logico) in grado di emettere e ricevere un ordine di attesa logica. Quando nasce una corrente di guasto ogni relè logico a monte del punto di guasto emette un ordine di attesa logica verso quello installato immediatamente a monte, il relè logico posto subito a monte del guasto provoca Le - VA? - l’intervento dell’interruttore associato non ricevendo l’ordine di attesa logica da quello posto a valle. Con tale sistema (selettività logica) le temporizzazioni possono essere ridotte al minimo e non sono condizionate dai vincoli della selettività cronometrica. Tale tecnica di protezione è applicabile con successo sia ai sistemi bt che a quelli MT, sia per strutture radiali che ad anello accoppiandola ovviamente, in quest’ultimo caso, a relè direzionali. Nella fig. V.20 è rappresentato un esempio di realizzazione di selettività logica. Talvolta può essere ammesso l’impiego di un interruttore con un potere di interruzione inferiore alla massima corrente presunta di cortocircuito nel punto di installazione. Sarà allora necessario che a monte vi sia un altro sistema di protezione avente il necessario potere di interruzione (protezione in serie o back-up). Fig. V.20 - Esempio di selettività logica 2.4 Trasformatori MT/BT La protezione contro i corto circuiti avviene tramite fusibili (molto diffusa negli Stati Uniti e non particolarmente in Europa) o interruttori con relè. Nel seguito vengono presi in esame i sistemi di protezione con interruttori e relè. Nel sistema di protezione, disposto sul lato MT (fig V.21), vi è un relè a massima di corrente regolato per valori di corrente tali da non intervenire nel caso di cortocircuito sul lato bassa tensione e durante l’inserzione del trasformatore; è anche presente un relè di massima corrente omopolare per la protezione contro i cortocircuiti - V.20 - AT Stazione AT/MT o cabina primaria MT a Nt e a) Cabina MT/BT () ©. ) Fig. V.24 - Struttura radiale con richiusura con sistema di protezione solo sui due primi tratti di linea MT. Nelle fig. V.24 potevano essere considerati anche i sistemi di protezione su tutti i tratti di linea MT. AT Stazione AT/MT o cabina primaria = a 9 È Fig. V.25 - Struttura ad anello con sistemi di protezione. Cobina MT/BT 3. Sistemi di protezione contro le sovratensioni I sistemi di protezione contro le sovratensioni sono normalmente classificati in: ® preventivi, che agiscono in modo da contenere preventivamente l’entità delle sovratensioni che si possono presentare nei sistemi elettrici; e repressivi, che, invece, sono destinati a convogliare a terra le sovratensioni che eccedono i livelli di isolamento, evitando che esse si propaghino con tutta la loro intensità lungo il sistema elettrico. I provvedimenti di tipo preventivo contro le sovratensioni di origine interna sono, ad esempio, la messa a terra del neutro, l'adozione di resistenze di smorzamento negli interruttori e l'utilizzo di sistemi di eccitazione rapidi dei generatori sincroni. Contro le sovratensioni di origine esterna si adottano le funi di guardia, la messa a terra di sostegni nelle linee aeree e la schermatura nelle stazioni. La me: a terra del neutro, come si vedrà nel seguito, permette, tra l’altro, di vincolare la tensione verso terra delle fasi di un sistema elettrico. Le resistenze di smorzamento negli interruttori intervengono a smorzare opportunamente le tensioni di ristabilimento in modo da rendere meno probabile l’intersezione con la tensione di ripristino della rigidità dielettrica. I sistemi di eccitazione possono contenere gli aumenti di tensione dovuti, ad esempio, ai bruschi distacchi di carico. Le funi di guardia producono un effetto schermante sui conduttori di potenza nei riguardi dei fulmini. Affinchè ciò avvenga occorre che esse siano disposte in posizione elevata rispetto ai conduttori di potenza in modo tale che l'angolo, detto angolo di protezione, compreso tra la verticale passante per la fune di guardia e la retta congiungente la fune e il conduttore di potenza più esterno, e quindi più esposto, non superi i 30°. Le funi di guardia consentono, inoltre, di ridurre anche le sovratensioni nel caso di fulminazione dei sostegni, in quanto introducono tra il sostegno colpito e la terra tanti altri circuiti in parallelo (gli altri sostegni collegati attraverso la fune di guardia) che sottraggono al sostegno colpito corrente di scarica. La messa a terra dei sostegni si effettua mediante un conduttore interrato ad una profondità di circa 1 m, collegato ai montanti e disposto ad anello attorno al sostegno in modo da ottenere un basso valore della resistenza di terra dei sostegni stessi. La schermatura delle stazioni ha lo scopo di evitare le fulminazioni dirette nelle stazioni, dove si trovano i trasformatori e le apparecchiature. Per un'efficace protezione preventiva contro i vari tipi di sovratensione occorre, infine, coordinare l'isolamento dei diversi componenti del sistema. Ogni componente si trova, infatti, esposto in modo diverso ai differenti tipi di sovratensione ed ha un'influenza diversa sulla continuità del servizio di fornitura dell'energia elettrica. Ad esempio, le linee con conduttori nudi sono i componenti più esposti alle sovratensioni di origine esterna, mentre quelle di origine interna interessano tutti i componenti del istema. I terminali delle linee, siano esse con conduttori nudi o in cavo, e gli apparati collegati sono, inoltre, particolarmente interessati alle sovratensioni che si hanno nel funzionamento a vuoto. Una volta stabilito il livello di isolamento da assegnare a ciascun componente occorrerà ricorrere ad opportuni apparati di protezione contro quelle sovratensioni che superano, in ampiezza, tale livello, realizzando la cosiddetta protezione di tipo repressivo. Tali apparati sono gli spinterometri e gli scaricatori che hanno caratteristiche tali per cui, al verificarsi di sovratensioni prossime al livello di isolamento previsto, la scarica avviene a terra attraverso di loro piuttosto che attraverso gli altri componenti del sistema. Gli spinterometri, di cui la fig.V.26 è un esempio, è, in genere, costituito da due elettrodi metallici collegati tra parte in tensione e terra. La distanza in aria tra gli elettrodi è tale che la differenza di potenziale ad essi applicata in condizioni di funzionamento normali non è sufficiente ad innescare l’arco, che, invece, si innesca all’atto di una opportuna sovratensione. Questi componenti possono provocare disservizi in quanto non sono sempre in grado di interrompere la corrente a frequenza industriale che fa seguito a quella ad impulso associata alla scarica, per cui ogni loro intervento può provocare un corto circuito monofase a terra con conseguente interruzione del servizio per intervento dei sistemi di protezione contro le sovracorrenti. Esistono, comunque, in commercio spinterometri autoestinguenti, che sono in grado di estinguere il corto circuito che si instaura al momento della scarica.