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GENERALITÀ
La protezione delle linee di trasmissione e di distribuzione è uno dei capitoli più interessanti, difficili ed importanti della tecnica delle protezioni, ma la protezione delle macchine è altrettanto importante. I guasti si verificano meno frequentemente sulle apparecchiature di stazione che sulle linee, ma, quando si verificano, producono danni di notevole entità, che richiedono più tempo e spese per essere riparati che non i guasti sulle linee.
In questa tesina vengono passati in rassegna i sistemi di protezione comunemente adottati per le macchine elettriche del sistema elettrico di potenza (generatori e trasformatori).
Lo scopo è quello di illustrare i guasti e le anomalie cui sono soggette le singole parti di un impianto ed il funzionamento delle corrispondenti linee di difesa.
Facciamo notare che i singoli componenti non saranno sempre muniti di tutte le "protezioni" di seguito indicate in quanto la scelta del sistema di protezione viene fatta tenendo conto di molteplici fattori tra i quali risultano prevalenti:
Occorre scegliere un sistema di protezione in modo da coprire tutti i guasti e le anomalie che si possono presentare avendo tuttavia presente che questo risultato può anche essere conseguito assegnando ad un stessa protezione funzioni plurime.
È compito dell’ingegnere delle protezioni operare le scelte più appropriate e prevedere un sistema di protezione adatto al componente in esame, tenendo in debito conto i vari parametri tecnici ed economici in gioco ed i criteri protettivi esistenti. La scelta della protezione deve essere quanto mai attenta poiché un non corretto intervento dei relè è altrettanto pericoloso quanto un mancato intervento. La non necessaria sconnessione dal sistema di un generatore può sovraccaricare il resto del sistema e provocare oscillazioni pendolari pericolose per il sincronismo delle altre macchine. D’altro canto, la mancata sconnessione in presenza di un guasto può causare danni di notevole entità al generatore. La rapidità di intervento ha, in tal caso, una importanza fondamentale per limitare la entità del danno e diminuire la durata di interruzione del servizio.
Non ci si deve meravigliare se uno stesso componente lo si trova protetto in maniera diversa: importante è verificare che tutte le condizioni di guasto o di funzionamento anomalo siano coperte magari a sacrificio della rapidità o, in altri casi, della selettività.
Si sottolinea infine che il componente fa parte del sistema elettrico e che la configurazione di quest’ultimo condiziona le grandezze messe in gioco da un guasto e pertanto influisce sul sistema di protezione. Occorre tenere conto del “sistema elettrico” nel suo insieme per cui un generatore istallato in un nodo ha una problematica di protezione, per certi guasti, diversa da quella di un generatore di uguale taglia installato in un altro nodo.
PROTEZIONE DEI GENERATORI
1. PREMESSA
Nei generatori si possono verificare una gran varietà di condizioni anormali, come cortocircuiti o interruzioni negli avvolgimenti o nei collegamenti del generatore alle sbarre, sovracorrenti, funzionamento da motore, guasti nel circuito d’eccitazione, velocità anormali, riscaldamento anormale, funzionamento squilibrato, aumento anormale o diminuzione anormale di tensione ai morsetti, perdita del sincronismo.
Il sistema di protezione di un generatore è costituito da una somma di singoli sistemi di protezione, ciascuno dei quali fa fronte ad un guasto o ad un funzionamento anomalo ben definiti della macchina. Dato che i tipi di guasto ed i funzionamenti anomali sono più numerosi su una macchina rotante che su una macchina statica, come ad es. un trasformatore, si comprende come più numerosi e complicati siano i sistemi di protezione chiamati in causa dal generatore.
Quando si verifica un cortocircuito sugli avvolgimenti di armatura o sui collegamenti del generatore, l’interruttore che collega il generatore alle sbarre deve essere aperto immediatamente per evitare inconvenienti al servizio sul resto della rete e per interrompere l’alimentazione al guasto da parte degli altri generatori della rete. Ma ciò non è sufficiente. Contemporaneamente il circuito di campo deve essere aperto in modo che il generatore non alimenti il guasto da sé. Pochi generatori hanno un interruttore trifase addizionale per sconnettere gli avvolgimenti dal neutro in modo da aprire anche il circuito delle correnti di guasto, poiché a causa del lento smorzarsi del flusso e a causa del magnetismo residuo, anche dopo aver aperto l’interruttore sul circuito di campo, continua a fluire corrente nel circuito delle correnti di guasto sull’armatura. Occorre inoltre interrompere il flusso del fluido motore al motore primo e talvolta introdurre delle coppie frenanti. Infine può essere pompato nella macchina, se non presente gas inerte quale l’idrogeno, del biossido di carbonio per spegnere incendi dell’isolamento accesi dall’arco di guasto e ravvivati dal movimento del rotore.
Il generatore costituisce una delle parti più delicate e costose del sistema elettrico; perciò, quando si pensa alla sua protezione, si prendono in considerazione, oltre ai guasti ed i funzionamenti anomali, anche le eventuali lunghe indisponibilità e i forti costi di riparazione che seguono. C’è da parte dei tecnici la tendenza a cautelarsi il più possibile nella protezione delle macchine rotanti e nello stesso tempo ad evitare interventi intempestivi delle protezioni stesse in quanto fanno mancare potenza alla rete. L'affidabilità dei sistemi di protezione dei generatori viene pertanto particolarmente curata.
2. TECNICHE DI PROTEZIONE DEI GENERATORI
Per i generatori di grande potenza (370 MVA ed oltre) è sempre prevista la duplicazione dei sistemi di protezione, almeno di quelli che fanno fronte ai guasti più gravosi per la macchina.
La logica di azione comunemente adottata è quella di “uno su due”; è sufficiente cioè l’intervento di un solo relè su due (circuito OR) per togliere di servizio il generatore. Per macchine di grandissima potenza si adotta anche la logica “due su tre”, vale a dire si installano tre sistemi di protezione per ogni guasto o funzionamento anomalo e si condiziona lo scatto della macchina all’intervento di almeno due sistemi.
Nella logica “uno su due” si prevedono due serie di protezioni, ciascuna con alimentazione separata dalla batteria e relativo raddrizzatore in tampone.
Per ottenere un completo sistema di protezione di riserva è necessario prendere in considerazione anche l’interruttore. Due sistemi di protezione non risolvono il problema dell’affidabilità se l’interruttore fallisce l’apertura. Oggigiorno un sistema di protezione completo comprende anche la protezione contro la Mancata Apertura Interruttore di Gruppo (MAIG).
Questa protezione agisce nel caso in cui si è avuto il corretto intervento di un sistema di protezione a cui non è seguita l’apertura dell’interruttore e comanda lo scatto di tutti gli interruttori al contorno (se distanti tramite un telescatto) necessari per separare il generatore dalla rete.
I gruppi di media e piccola potenza sono protetti dalla sola protezione principale; si rinuncia cioè alla riserva. Al diminuire della potenza diminuisce anche il numero di relè impiegati: ad esempio su macchine di piccola taglia non vengono impiegati i relè di perdita di passo, minima impedenza, massimo flusso, differenziale, ma le loro funzioni vengono surrogate da altri relè.
Considereremo, quando non specificato il contrario, sempre il generatore messo a terra attraverso una resistenza di elevato valore ohmico. Lo scopo principale della messa a terra tramite una impedenza di alto valore è quello di limitare la corrente di cortocircuito monofase per guasto a terra degli avvolgimenti di statore o delle sbarre a media tensione del generatore. Generalmente questa corrente di guasto è limitata in Europa a poche decine di Ampere.
Inoltre, considereremo il generatore collegato ad un trasformatore elevatore con avvolgimenti a triangolo lato generatore e a stella con neutro a terra lato AT.
3. CONFINI FRA REGOLAZIONE E PROTEZIONE
I sistemi di protezione devono permettere tutti i regimi di funzionamento consentiti dal diagramma delle prestazioni limite del generatore e devono inoltre lasciare il tempo agli organi di regolazione di riportare la macchina entro quei limiti se essa se ne discosta per qualche ragione connessa all’esercizio.
Illustriamo con un esempio questo punto.
fig. 1 Diagramma delle prestazioni del generatore sincrono a poli lisci
(Capability chart)
Con riferimento a fig. 1, il limite in sottoeccitazione della macchina (potenza reattiva assorbita dalla macchina) viene tarato (retta tratteggiata LL’), nel sistema di eccitazione il più vicino possibile alla curva DE in modo che la macchina possa avvicinarsi al limite del suo funzionamento stabile mentre la caratteristica di intervento della protezione “perdita di eccitazione” (retta RR') viene regolata oltre la curva DE. Funzionamenti della macchina nella zona di intervento della protezione “perdita di eccitazione” fanno intervenire il relè il quale viene intenzionalmente ritardato nell’azione per consentire agli organi di eccitazione di riportare la macchina entro il campo di funzionamento consentito.
Solo se il sistema di eccitazione non è in grado di farlo, ad esempio per un guasto nel sistema stesso, il relè interviene con comando di blocco del generatore.
Il ragionamento può essere esteso ad altri relè.
4. SISTEMI DI PROTEZIONE DEI GENERATORI
I sistemi di protezione dei generatori devono fare fronte a:
Nel caso 1. i sistemi di protezione coinvolti comandano il blocco della macchina e direttamente lo scatto della macchina: le protezioni agiscono cioè su un relè di blocco che esplica le seguenti funzioni principali:
Dicendo che la protezione agisce sul relè di blocco si vuol dire che attraverso essa invia tutti i comandi sopra specificati. Il generatore viene così fermato e si deve intervenire manualmente per rimuovere le cause dell'arresto; è doveroso accertarsi dei motivi per cui vi è stato il blocco in quanto siamo in presenza di un guasto interno.
Nel caso 2. i sistemi di protezione intervengono con un’azione di scatto del generatore, vale a dire viene comandata l’apertura dell’interruttore di gruppo e vengono messe in atto quelle azioni sul sistemi di regolazione per mantenere il gruppo ai giri nominali pronto a riprendere il parallelo con la rete. Evidentemente con ciò si cerca di rendere minimo il tempo di fuori parallelo del generatore.
Nel caso 3. infine le azioni sono differenziate in base al tipo di anomalia presentatasi nel funzionamento della macchina.
Si sottolinea che nel seguito i valori di taratura indicati e motivati per ogni relè sono indicativi; come accennato al paragr. 2, per stabilire detti valori occorre analizzare la taglia del gruppo, lo schema di servizio e tutti i relè disponibili, compresa la loro alimentazione.
4.1 GUASTI INTERNI NEI GENERATORI E RELATIVI SISTEMI DI PROTEZIONE
Sono guasti interni i guasti che si verificano negli avvolgimenti di macchina e nel sistema di regolazione della tensione.
I guasti plurifasi negli avvolgimenti sono rilevati per mezzo di una delle seguenti protezioni:
I guasti monofasi vengono invece rilevati mediante la protezione di terra statorica. Per certe costruzioni del generatore occorre installare anche la protezione contro i guasti tra le spire della stessa fase.
4.1.1 Protezione differenziale del generatore
Codice 87G
La protezione contro i cortocircuiti tra le fasi e tra una fase e la carcassa nel circuito d’armatura è realizzata per mezzo di un relè differenziale ad alta velocità, che confronta le correnti ai due estremi della macchina per ciascuna fase.
fig. 2 Protezione differenziale per generatore con avvolgimento a stella
fig. 3 Protezione differenziale per generatore con avvolgimento a triangolo
Normalmente le due correnti sono eguali, ma durante un corto circuito interno sono diseguali. La differenza delle due correnti si manifesta in presenza di un corto circuito tra le fasi o tra una fase e la terra (se il generatore ha il neutro atterrato) ed eccita il relè differenziale.
In generale, poiché i TA non solo non hanno rapporto di trasformazione perfettamente eguale k1 ≠ k2, ma tale rapporto varia secondo due curve distinte per i due TA e dipende dalla “storia” pregressa dei nuclei magnetici, al variare della corrente primaria, occorrerebbe diminuire la sensibilità del relè aumentando il valore minimo di corrente per il quale il relè chiude il circuito di sgancio dell’interruttore.
Questo impedisce l’intervento per cortocircuiti interni di lieve entità e rende difficile il coordinamento selettivo con gli interruttori a valle. Per evitare ciò viene impiegato un relè differenziale percentuale. Questo è costituito da una bobina di scatto e una antagonista. La bobina antagonista è percorsa dalla corrente 
mentre la bobina di scatto è percorsa dalla corrente 
se k1 e k2 sono i rapporti di trasformazione dei due TA. L’intervento del relè avviene quando la corrente nella bobina di scatto supera una certa percentuale della corrente nella bobina antagonista.
Quando la macchina ha il neutro atterrato tramite impedenza, ed in genere il valore di tale impedenza è scelto in modo da limitare il valore massimo delle correnti di guasto a circa 30 A, un contatto a massa vicino al neutro produrrà una corrente di corto circuito molto piccola, anche per la piccola f.e.m. dell’avvolgimento cortocircuitato.
Aumentare la sensibilità del relè per avvertire anche il guasto monofase sarebbe erroneo e verrebbe pagato con probabili scatti intempestivi del generatore a causa della diversa risposta dei riduttori durante il transitorio per guasti esterni; occorre quindi far fronte a questo tipo di guasto con un relè specifico più sensibile (vedi paragr. 4.1.4).
Oltre al relè differenziale, sul generatore generalmente si installa anche una protezione differenziale totale che abbraccia generatore e trasformatore elevatore.
La fig. 4 ne mostra un’applicazione
fig. 4 Schema trifase della protezione differenziale dell’unità generatore-trasformatore
Molte delle moderne unità generatrici hanno l’alimentazione dei servizi ausiliari di gruppo derivate dal montante MT di macchina. Nelle centrali termiche il trasformatore di blocco (così viene chiamato il trasformatore dei servizi ausiliari) ha una potenza normalmente pari al 6% ¸ 8% di quella del generatore.
fig. 5 Inserzioni delle protezioni differenziali per una unità termica
In questo caso la differenziale totale è a tre ingressi: riduttori AT, riduttori sul centro stella del generatore, riduttori del trasformatore di blocco come illustrato in fig. 5. Se trascurassimo di portare alla differenziale le correnti che attraversano il trasformatore di blocco, la protezione sarebbe continuamente interessata da una corrente differenza il cui valore dipende dal carico dei servizi ausiliari che in certi momenti (ad es. su avviamento di motori di notevole potenza) può essere notevole e potrebbe portare all’intervento della protezione stessa. A sua volta il trasformatore di blocco può essere protetto con differenziale propria.
Nel caso di unità generatrici idroelettriche il trasformatore dei servizi ausiliari derivato dal montante di macchina è di potenza modesta: circa 1% ¸ 2% di quella del generatore stesso. In questo caso non importa portare alla protezione differenziale totale le correnti del trasformatore dei servizi ausiliari; se ne tiene conto in sede di taratura della protezione diminuendone la sensibilità (vedi “Protezioni dei trasformatori”).
La protezione differenziale è universalmente impiegata per i generatori di media e grossa taglia; per quelli di piccola taglia è invece considerata sufficiente una semplice massima corrente (vedi il paragrafo successivo).
4.1.2 Protezione di massima corrente ad azione rapida
Codice 50
Nei gruppi di piccola potenza, contro i cortocircuiti plurifasi, in luogo della protezione differenziale, si ricorre sovente ad un relè a massima corrente alimentato dai TA installati sul centro stella del generatore. Questa protezione si trova spesso installata anche in vecchie centrali per gruppi di potenza ragguardevole.
L’installazione della massima corrente non risolve il problema della protezione del generatore in modo altrettanto efficace come la differenziale ed il suo impiego, tuttora notevole, si fonda essenzialmente su ragioni di carattere economico.
Essa viene tarata con tempo istantaneo per una corrente inferiore a quella di cortocircuito bifase ai morsetti della macchina in modo da essere sicuri del suo intervento in caso di guasti plurifasi sulle sbarre a media tensione del generatore.
Nello stesso tempo la taratura in corrente deve essere maggiore della corrente fornita dal gruppo per guasto trifase sulle sbarre AT in modo che il suo intervento non si sovrapponga a quello delle protezioni di linea in caso di cortocircuito vicino in rete.
La massima corrente ha normalmente anche una soglia ritardata che si tara generalmente ad 1.3 In ¸ 1.5 In con In corrente nominale della macchina, e tempo di ritardo 2s ¸ 5s; il suo scopo è il distacco della macchina in caso di cortocircuiti in rete non eliminati correttamente e non costituisce una riserva alla soglia rapida nei riguardi dei guasti esterni (vedi paragr. 4.2.1).
Occorre infatti notare che per la taratura della soglia istantanea dovrà essere messa in conto la reattanza subtransitoria perché è con essa che l’alternatore reagisce nei primi istanti ad un cortocircuito. Esauritosi il regime subtransitorio ed il successivo regime transitorio (0.5s ¸ ls) la corrente fornita dalla macchina assume i valori dipendenti dalla reattanza sincrona. Nel caso, ad esempio, dei turboalternatori la reattanza sincrona è superiore al 100% della impedenza base della macchina (Z = kV2/MVA); ciò significa che la corrente di cortocircuito permanente è inferiore alla stessa corrente nominale della macchina.
Quando l’eccitazione del generatore è derivata da montante l’annullamento della tensione dovuto al cortocircuito rende più rapido il decadimento della corrente di guasto. Ne consegue che il relè a massima corrente, per cortocircuito ai morsetti del generatore, o interviene con la soglia istantanea oppure non interviene più. Si tenga inoltre presente che la massima corrente installata sul generatore può non sentire i guasti tra le fasi che si verificano in prossimità del centro stella in quanto la corrente in gioco può non essere sufficiente.
L’intervento per istantaneo della massima corrente agisce sul relè di blocco del generatore.
In certi casi si protegge l’intero gruppo generatore con la protezione a massima corrente alimentata dai riduttori installati sul montante ad AT del trasformatore elevatore (relè individuato col codice 50T in fig. 6).
Infatti, quando la potenza di cortocircuito della rete è notevolmente superiore rispetto a quella del gruppo, la corrente I1 per guasto plurifase sulla MT di gruppo fornita dalla rete è molto più grande di quella I2 generata dal gruppo per guasto plurifase sulle sbarre ad AT.
Pertanto la protezione 50T diventa intrinsecamente direzionale quando venga tarata per una corrente compresa tra I2 ed I1. Il suo intervento a tempo istantaneo integra la protezione 50G nella funzione di copertura dei circuiti a media tensione del generatore.
La taratura in corrente di detta protezione diventa difficoltosa in situazioni di non efficace messa a terra dei neutri della rete AT. Ricordiamo che il trasformatore elevatore ha di norma gli avvolgimenti a triangolo/stella (centro stella a terra): pertanto la corrente omopolare che attraversa l’avvolgimento a stella del trasformatore, per guasti a terra in rete molto vicini, può essere notevole e superiore alla corrente I2 sopraddetta e di conseguenza può provocare l’intervento indesiderato della massima corrente 50T.
4.1.3 Protezione di minima impedenza
Codice 21
La minima impedenza impiegata come protezione sui generatori ha caratteristica circolare o quadrangolare nel diagramma (R;X); ognuno dei suoi tre elementi di misura viene alimentato da una tensione concatenata (ad es. Vab) dalle sbarre a media tensione del generatore e da una delle due correnti di fase relativa a detta tensione (ad es. Ia) (vedi fig. 7).
fig. 7 Protezione a minima impedenza di generatore: inserzione di uno dei tre elementi di misura
Nella sua versione più completa ha due gradini di intervento. Il primo gradino è sensibile ai guasti plurifasi che si verificano sulle sbarre a media tensione della macchina e nelle prime spire degli avvolgimenti del generatore e del trasformatore elevatore. Costituisce, pertanto, una riserva diversificata alla protezione differenziale. Esso viene tarato a tempo base oppure con un modesto ritardo (0.1s ¸ 0.2s) al solo scopo di distinguerne l’intervento da quella della differenziale. La taratura in impedenza del I gradino non deve essere superiore al 70% dell’impedenza di cortocircuito del trasformatore elevatore in modo da rimanere insensibile ai guasti di qualsiasi tipo che avvengono sulle sbarre ad AT o nelle immediate vicinanze sulle linee di trasporto in partenza dalle sbarre stesse.
Il secondo gradino ha invece una duplice funzione: coprire la zona compresa fra i riduttori di corrente lato AT e l’interruttore lasciata scoperta dalla differenziale ed agire come riserva alla protezione distanziometrica lato AT. Pertanto il II gradino viene tarato:
Si fa osservare che il II gradino così tarato copre una larga porzione della rete AT.
La protezione può quindi avviarsi per guasti trifasi molto lontani o per pendolazioni elettromeccaniche; il tempo di ritardo inibisce comunque il suo intervento intempestivo nei casi sopraddetti.
4.1.4 Protezione di terra statorica
Codice 64s
Un criterio per rivelare il contatto a terra degli avvolgimenti o delle sbarre a MT del generatore è quello di affidarsi alla tensione omopolare. Questa può arrivare a valori prossimi alla tensione di fase se il guasto è vicino al morsetti del generatore mentre diminuisce progressivamente man mano che il guasto si verifica vicino al centro stella. Dunque, questa protezione ha un limite: non rileva guasti a terra vicini al centro stella del generatore. La zona di copertura del relè è di circa 85% ¸ 90% dell’intero avvolgimento statorico.
fig. 8 Protezione di terra statorica mediante relè di massima corrente omopolare
Il tipo più semplice è quello di fig. 8 in cui viene rilevata la corrente di sequenza omopolare che circola durante un guasto a terra. Infatti il guasto monofase a terra genera una corrente di sequenza omopolare che si richiude verso terra attraverso il circuito di atterramento. Tale corrente sarà rilevata dal TA che ecciterà il relè collegato al suo secondario.
Giova ricordare che componenti di terza armonica sono sempre presenti nelle tensioni generate e che dette componenti, attraverso le capacità verso massa degli avvolgimenti di statore, delle sbarre MT del generatore e degli avvolgimenti del trasformatore elevatore, fanno circolare una corrente di 3a armonica che si richiude sul collegamento a terra del centro stella del generatore. Tale circolazione è resa possibile dalla caratteristica omopolare della grandezza in gioco.
fig. 9 Protezione di terra statorica mediante relè elettrodinamico
Per evitare questo influsso si può usare lo schema di fig. 9 usando un relè elettrodinamico alimentato da una delle tensioni concatenate, nella quale non compaiono terze armoniche. Infatti la coppia del relè elettrodinamico è proporzionale al valor medio delle correnti che attraversano le due bobine:
Il primo integrale ha valore nullo per ogni k≥0 (cioè per ogni ordine di armonicità della corrente che attraversa la resistenza di atterramento). Dunque:
In assenza di guasto il TV sulla resistenza di atterramento preleverà una tensione di tripla armonica (k=3), mentre l’altro TV presenterà sul secondario una tensione a frequenza fondamentale dunque il valor medio della coppia del relè sarà:
Invece in presenza di guasto fase-terra il TV sul ramo di atterramento preleverà una tensione (3RI0 dove I0 è la componente omopolare della corrente di guasto) a frequenza fondamentale(k=1).
Le due bobine del relè elettrodinamico, attraversate da correnti alla stessa frequenza, svilupperanno una coppia proporzionale a:
In questo caso, non essendo nulla la coppia, il relè attiverà la bobina di sgancio.
fig. 10 Sistema di protezione di terra statorica al 100%
Si può estendere la protezione al 100% dell’avvolgimento immettendo una f.e.m nel circuito delle correnti di sequenza omopolare (fig. 10) in modo da aumentare le correnti di cortocircuito una fase a terra e renderle rilevabili quando il numero di spire coinvolto è piccolo. Se l’alternatore è collegato in parallelo ad altri, per evitare l’intervento delle protezioni degli altri alternatori e viceversa si dota l’alternatore di un relè direzionale di sequenza omopolare, alimentato dalla tensione e dalla corrente di sequenza omopolare (fig. 11).
I relè di terra statorica considerati devono avere un certo ritardo all’intervento in modo da essere selettivi rispetto ad altri relè che fanno fronte ai guasti di terra sul lato AT del trasformatore elevatore. Infatti se è vero che i collegamenti di norma adottati per i trasformatori elevatori (avvolgimenti MT/AT: stella con neutro isolato/stella e triangolo/stella), bloccano il flusso delle grandezze omopolari per via magnetica, il trasferimento di tali grandezze da un lato all’altro del trasformatore può sempre avvenire attraverso le capacità di accoppiamento fra gli avvolgimenti primari e secondari cosicché un guasto a terra sul lato AT può essere avvertito dal relè di massa statorica se questo non è opportunamente desensibilizzato ed eventualmente ritardato. Di norma si esegue una verifica alla messa in servizio del gruppo: si mette a terra una fase lato AT con interruttore di macchina aperto e neutro del trasformatore scollegato da terra (per non avere alta corrente di guasto) e si eccita l’alternatore possibilmente fino alla tensione nominale controllando che i relè di terra statore non intervengano agendo sulla taratura in tensione e in tempo.
I generatori il cui centro non è atterrato sono rari, ma laddove ve ne siano, un contatto di una fase a massa deve essere rilevato con un rilevatore elettrostatico, poiché le correnti di guasto sono in tal caso molto piccole, limitate alle piccole correnti capacitive che interessano le fasi sane.
Esistono in commercio anche dei relè direzionali di terra basati sul prodotto tensione corrente omopolare per la protezione di alternatori a neutro isolato.
4.1.5 Protezione contro i cortocircuiti tra le spire (di una stessa fase)
I relè finora visti non possono avvertire i guasti che si verificano tra le spire della stessa fase; infatti il cortocircuito di alcune spire di una fase non introduce una differenza tra le correnti in entrata ed uscita nell’avvolgimento della fase guasta in grado di far intervenire la differenziale.
Occorre che il guasto evolva in cortocircuito tra la fase e la terra oppure un’altra fase perché sia sentito da tali protezioni e nel frattempo le forti correnti locali che si producono nelle spire guaste possono anche danneggiare il nucleo, saldando fra loro alcune lamine.
È logico non aspettare che l’avvolgimento di una fase sia compromesso e quindi si deve intervenire rapidamente in modo da limitare il danno. A ciò provvede la protezione contro i cortocircuiti tra le spire di una stessa fase. Questa protezione è prevista solo per quei generatori che per costruzione hanno più di un circuito per fase oppure i cui avvolgimenti sono disposti in modo che un tale guasto si possa verificare senza prima interessare la terra (alternatori cioè con conduttori della stessa fase collocati in una stessa cava).
La protezione contro i cortocircuiti fra le spire di una stessa fase viene ottenuta rilevando la componente di sequenza omopolare delle tensioni fase – terra prodotte dal generatore (fig. 12).
Un altro metodo per rilevare un cortocircuito tra spire di una stessa fase ed anche altri guasti dissimetrizzanti è basato sul fatto che ogni dissimetria, eccetto il cortocircuito trifase, delle correnti statoriche crea una componente di sequenza negativa. Essa ruota alla stessa velocità del campo di reazione di armatura, ma in direzione opposta, inducendo nel circuito di campo una corrente a frequenza doppia. Questa corrente può essere rilevata da un relè, opportunamente accordato, nel circuito di campo, collegato con un relè direzionale di sequenza negativa che chiude un contatto ogni volta che avviene un guasto interno alla macchina ma non si ecciterà per guasti esterni.
4.2 GUASTI ESTERNI DEI GENERATORI E RELATIVI SISTEMI DI PROTEZIONE
Si definiscono guasti esterni quei guasti che si verificano sulla rete AT cui è collegato il generatore. La loro mancata eliminazione nei tempi previsti dai sistemi di protezione specifici di rete comporta sollecitazioni elettrodinamiche e termiche del generatore non sostenibili oltre certi limiti. Il generatore viene pertanto munito di protezioni che devono essere in grado di sentire tali guasti ed intervenire di riserva comandando lo scatto dell'unità al perdurare di essi.
Dette protezioni sono di due tipi:
4.2.1 Protezione di massima corrente ad azione ritardata
Codice 51
Essa viene installata sul lato AT del trasformatore elevatore oppure sul centro stella del generatore.
In molti casi si trova in entrambe le posizioni con duplicazione della funzione.
Essa viene tarata a 1.3 ¸ 1.4 volte la corrente nominale del gruppo con ritardo di 2s ¸ 5s in modo da permettere alle altre protezioni di rete di intervenire. La sua taratura in corrente non può assumere valori inferiori a quelli indicati senza incorrere in scatti intempestivi per le ragioni che seguono.
Supponiamo che la macchina permetta un sovraccarico permanente del 10%; i riduttori di corrente introducono un errore εTA nella corrente misurata, un altro errore εR viene compiuto dal relè stesso ed infine si deve tener conto del rapporto di ricaduta del relè εK.
Se vogliamo permettere un regime pari al 110% della corrente nominale In del generatore occorre tarare la massima corrente ad un valore IT tale da soddisfare la seguente relazione:
IT > In (1.1 + εTA + εR + εK)
la quale giustifica i valori indicati di 1.3 In ¸ 1.4 In del generatore quando si impiegano relè di normale costruzione.
Quantunque funzionalmente distinta rispetto alle massime correnti contro i cortocircuiti interni 50G e 50T viste al paragr. 4.1.2, nella maggior parte dei casi tale protezione è costituita dalla seconda soglia ritardata di un unico relè. È una protezione un po’ “grossolana” specialmente per guasti vicini al generatore essendo il suo intervento molto tardivo.
4.2.2 Protezione distanziometrica
Codice 121 G
Viene alimentata dai riduttori di corrente ad AT del montante di gruppo e dai TV di montante o di sbarra alta tensione.
I gradini di intervento della distanziometrica sono coordinati in tempo e in impedenza con le protezioni distanziometriche delle linee in partenza dalle sbarre ad AT cui è collegato il generatore: essa può avere anche un gradino istantaneo che guarda verso il montante di gruppo come riserva alla differenziale totale (gradino rovescio).
In fig. 13 è mostrata con tratteggio la taratura della protezione distanziometrica: il I gradino (ritardo: 0.3s; impedenza: 0.80 (0.80 ZAB)) è selettivo con il primo gradino della protezione sulla linea più corta in partenza dalle sbarre A, cioè, nell’esempio, con quella della linea AB; il secondo gradino (ritardo: 0.8s) è selettivo con il secondo gradino della stessa protezione di linea e così via.
Tale protezione è più efficace della massima corrente prima descritta rispetto alla quale interviene più rapidamente per guasti vicini, come ad esempio per guasti di sbarra (guasto in X in fig. 13) i quali sono i più nocivi per il generatore. Essa interviene con un tempo maggiore (gradini successivi al primo) per guasti lontani non eliminati dalle protezioni dedicate.
4.3 FUNZIONAMENTI ANOMALI E I RELATIVI SISTEMI DI PROTEZIONE
Per funzionamenti anomali si intendono quei regimi che, se pure simmetrici ed equilibrati, pongono la macchina al di fuori delle prestazioni limite consentite dal costruttore. Nel seguito vengono descritti tali funzionamenti anomali ed i relativi sistemi di protezione previsti.
4.3.1 Protezione di massima tensione
Codice 59
A parte le sovratensioni transitorie causate da fulmini o altro, altre sovratensioni sono associate con gli aumenti di velocità o possono essere causate da guasti al regolatore di tensione.
Nei moderni turboalternatori, i regolatori di tensione agiscono in modo sufficientemente rapido da prevenire serie sovratensioni sia quando si interrompe il carico sul generatore e la tensione ai morsetti aumenta a causa dell’accelerazione.
Nei sistemi mossi da turbine idrauliche o a gas tuttavia, l’accelerazione è maggiore perché serve più tempo per staccare il motore primo che non nel caso delle turbine a vapore.
Essa fa fronte dunque ad eventuali guasti o anomalie che si possono verificare nel sistema di regolazione della tensione del generatore il quale non deve essere disturbato da interventi indesiderati del relè durante la normale azione di aggiustamento dei livelli di tensione, ad esempio in caso di distacco del carico.
La protezione è alimentata dai riduttori di tensione del generatore ed interviene per tensioni elevate a salvaguardia dell’isolamento degli avvolgimenti del generatore stesso, del trasformatore elevatore e del trasformatore di blocco (se presente).
Per ottemperare a questa esigenza il sistema di protezione è composto da un relè istantaneo che interviene per aumenti di tensione del 25% ¸ 40% ed un’unità a tempo dipendente che parte per sovratensioni del 10%. Entrambe queste unità devono essere compensate per variazioni di frequenza.
4.3.2 Protezione di massimo flusso
Codice 59F
In fase di avviamento o di fermata della macchina, con interruttore aperto, si può presentare un aumento repentino del flusso nel circuito magnetico del generatore e del trasformatore elevatore. L’aumento del flusso è dovuto all’azione del regolatore automatico di tensione, se esso è inserito, oppure ad errore umano se l’operatore opera direttamente sulla macchina.
Nel seguito si riporta il caso del regolatore di tensione: l’errore umano si spiega da sé.
Nelle due fasi sopraddette il regolatore di tensione agisce per portare la macchina alla tensione nominale. Considerato che la tensione indotta nello statore è (indicando con f la frequenza, con Φ il flusso concatenato fra statore e rotore e con N il numero delle spire di statore):
E = 4.44 f Φ N2
si ha
Φ ≡ E / f
Per valori bassi di frequenza il regolatore di tensione forza l'eccitazione aumentando il flusso. Un flusso eccessivo comporta perdite per isteresi e correnti parassite che localmente possono provocare riscaldamenti eccessivi dei lamierini del pacco statorico con rischi di deterioramento per l’isolamento del circuito magnetico.
Il sistema di protezione contro l’eccessivo flusso può essere realizzato in più modi (ne illustriamo due):
A seconda delle caratteristiche costruttive del generatore vengono scelti:
È bene che tale relè sia a tempo dipendente in modo da agire rapidamente quando detto rapporto assume valori troppo alti e con gradualità quando il rapporto assume valori più modesti. La protezione di massimo flusso comanda il blocco del generatore.
4.3.3 Protezione contro la perdita di campo
Codice 40
La perdita di campo nel generatore può avere molte cause. Segnaliamo le principali:
per i generatori ad eccitatrice rotante:
per i generatori ad eccitazione statica:
Alla mancanza della corrente di campo si annulla la f.e.m. generata e pertanto si annulla la potenza reattiva erogata. La macchina accelera passando a funzionare come un generatore asincrono. Il generatore cerca di portarsi ad uno scorrimento tale da ripristinare l’equilibrio fra potenza meccanica del motore primo e potenza elettrica erogata.
Nel rotore le gabbie smorzatrici vengono ad essere percorse da correnti con conseguente aumento della temperatura (gli avvolgimenti smorzatori dei generatori non sono progettati per sopportare permanentemente un transito di corrente). Nello statore le correnti aumentano fino a 2 ¸ 4 volte la corrente nominale di macchina a seconda dello scorrimento raggiunto, quindi anche lo statore si surriscalda. Queste sovracorrenti sono dovute alla potenza reattiva assorbita dal generatore nella sua marcia asincrona: la potenza reattiva assorbita dalla macchina può ammontare a 2 ¸ 4 volte la potenza nominale del generatore.
L’effetto combinato della potenza reattiva improvvisamente richiamata dalla rete e della potenza reattiva non più fornita, è causa di una “buca di tensione” in rete nella zona limitrofa al generatore stesso. Il ristabilimento dell’equilibrio nel sistema elettrico avviene attraverso un transitorio di oscillazioni elettromeccaniche e possibili perdite di passo di alcune macchine. Naturalmente il fenomeno è tanto più marcato quanto più grande è la potenza della macchina che ha perduto l’eccitazione.
Il surriscaldamento del rotore e dello statore insieme al disturbo arrecato alla rete, consigliano di togliere di parallelo il generatore che ha perduto l’eccitazione e che marcia asincronicamente.
Per rilevare la perdita di eccitazione si può ricorrere a tre soluzioni:
Soluzione 1: prevede relè che controllano le grandezze di campo: relè di minima corrente rotorica e di massima resistenza rotorica. I primi controllano che la corrente di campo non scenda sotto un certo valore limite; i secondi mediante una misura del rapporto Vecc / Iecc (= R) controllano che la resistenza del circuito di eccitazione non divenga infinita per annullamento di Iecc.
La Fig. 15 illustra i collegamenti di un relè di perdita di campo che si affida alla misura di resistenza del circuito di eccitazione del generatore.
Questi relè hanno un inconveniente: non permettono al generatore di funzionare a corrente di eccitazione di basso valore come nel caso della messa in tensione di una linea a vuoto oppure nel caso in cui al generatore venga richiesto di assorbire una notevole potenza reattiva per regolare una tensione di rete troppo alta. In altre parole questi relè non si adattano bene al diagramma delle prestazioni del generatore e di fatto ne limitano i funzionamenti possibili. Attualmente non sono molto utilizzati ed hanno lasciato il passo a relè alimentati da grandezze statoriche specialmente per macchine di grossa taglia.
Soluzione 2: il relè che dà migliore affidabilità è un relè ad ammettenza o un relè direzionale ad impedenza la cui caratteristica sia nel semipiano a reattanza negativa.
La fig. 16 mostra nel piano (R;X) il luogo indicativo delle impedenze viste ai morsetti del generatore in caso di improvvisa perdita dell’eccitazione partendo dalla condizione iniziale P1 di funzionamento a regime della macchina: sullo stesso diagramma è riportata la caratteristica di intervento del relè.
Il punto P2 rappresenta il funzionamento raggiunto dal generatore in marcia asincrona; esso cade entro la caratteristica di intervento del relè al quale è affidato il compito di distaccare la macchina dalla rete, normalmente con un certo ritardo.
La caratteristica di intervento ed il ritardo vanno stabiliti in funzione delle caratteristiche del generatore, di quelle dei regolatori di tensione e di velocità e della ubicazione della macchina nel sistema elettrico.
Altri tipi di protezioni contro la perdita di passo prevedono due caratteristiche di intervento ad impedenza: la prima da solo un allarme, l’altra comanda lo scatto dell’unità (vedi fig. 17).
Soluzione 3): si spiega da sé.
4.3.4 Controllo dello stato termico del generatore
La protezione contro le sovratemperature ha carattere preventivo per avvertirci quando la macchina ha raggiunto anche solo in sua parte valori di temperatura pericolosi. Le cause principali di riscaldamento eccessivi sono i guasti nel circuito di raffreddamento, guasti nell’isolamento dei bulloni che stringono le lamine, un sovraccarico, un cortocircuito dei lamierini (in questo caso si ha un surriscaldamento locale).
I mezzi di protezione consistono nel rilievo della temperatura d’ingresso e di uscita del mezzo refrigerante, nel rilievo delle temperature del ferro e del rame mediante delle sonde costituite da resistenze ohmiche variabili con la temperatura oppure con termocoppie opportunamente immesse nelle cave dello statore ed in numero sufficiente da avere una indicazione efficace dello stato termico del generatore o, infine, nell’uso del relè ad immagine termica. Quest’ultimo tipo di protezione, consiste nel rilevare la temperatura di un corpo, che, in opportuna scala, costituisca l’immagine termica della macchina.
Il corpo viene riscaldato da un avvolgimento percorso da una corrente proporzionale a quella della macchina ed esso si tiene conto sia delle perdite nel rame che di quelle nel ferro le quali producono un riscaldamento eguale a circa il 30% di quello prodotto dalle perdite nel rame. Il relè deve presentare le stesse costanti di tempo della macchina in modo che la sua curva termica non ritardi rispetto a quella della macchina, ma anzi la preceda. Questo è un vantaggio rispetto ai rilevatori indicati in precedenza i quali presentano un certo ritardo.
4.3.5 Protezione contro i carichi squilibrati
Codice 46
Supponiamo che un guasto dissimmetrico in rete non sia stato eliminato (l'evento più probabile è rappresentato da un guasto serie non rilevato dalle protezioni di rete) oppure che il carico allacciato al generatore non sia equilibrato. Questo comporta uno squilibrio nelle correnti statoriche con presenza di una componente inversa I2. Un sistema inverso di correnti applicato agli avvolgimenti statorici crea un campo rotante in senso opposto a quello diretto e al moto del rotore.
Come conseguenza si hanno delle correnti di frequenza doppia indotte nel rotore le quali possono surriscaldare le gabbie smorzatrici allentandone gli ancoraggi e provocando danni anche irreparabili.
Il tempo che il rotore può sopportare una tale condizione è inversamente proporzionale al quadrato dell’ampiezza della corrente di sequenza negativa: I22t=k ove k varia da 7 per turboalternatori a 60 per macchine a poli salienti raffreddate ad aria. La capacità dei grossi generatori a sopportare correnti di sequenza negativa diventa sempre più piccola con l’aumentare delle potenze nominali.
Occorre perciò un relè di protezione che abbia una caratteristica tempo di intervento – corrente del tipo I22t = k che si avvicini quanto più possibile a quella della macchina poiché se è importante sconnettere la macchina quando k viene superato, è altrettanto importante non toglierla dal servizio quando non è necessario. Si usano relè alimentati da un filtro a sequenza negativa e composti da un’unità istantanea di allarme e da un’unità a tempo inverso di allarme ritardata; esso permette un piccolo squilibrio dovuto anche alla dissimmetria del sistema elettrico. Il ritardo è necessario per permettere ad altre protezioni di intervenire selettivamente quando lo squilibrio è generato da un guasto sulla rete esterna. Il relè contro i carichi squilibrati si limita ad aprire l’interruttore della macchina che rimane pronta a riprendere il parallelo.
L’elemento di novità in questa protezione è costituito dal filtro di corrente alla sequenza inversa necessario per alimentare il relè di massima corrente sopra detto.
fig. 18 Filtro di corrente alla sequenza inversa e relè di massima corrente
Come esempio viene di seguito illustrato uno dei tanti filtri alla sequenza inversa realizzati. Dato che sulla sbarra ad MT del generatore la corrente omopolare per guasto esterno è nulla (I0 = Ia + Ib + Ic = 0), grazie agli avvolgimenti (stella (con centro stella a terra)/triangolo) del trasformatore elevatore, dalla definizione di componente inversa di un sistema trifase di correnti (Ia, Ib, Ic) si ha:
Essendo nulla la I0 sarà: Ib = - Ia - Ic per cui:
da cui ricaviamo:
Con il filtro illustrato in fig. 18 otteniamo agli estremi X,Y una tensione E2 a vuoto:
proporzionale alla componente inversa I2 della terna di correnti.
Se alimentiamo il relè di massima corrente, con impedenza interna Z', con la tensione E2 otteniamo:
dove IX è la corrente che percorre il relè e Z è l’impedenza del filtro visto dai morsetti X, Y. Il relè a massima corrente viene dunque azionato dalla corrente IX proporzionale alla sola componente inversa del sistema trifase di correnti.
4.3.6 Protezione di terra rotorica
Codice 64R
Il circuito di campo funziona senza alcun collegamento a terra: di conseguenza la messa a terra di un suo punto qualsiasi non comporta alcun danno o disturbo al sistema di eccitazione.
L’esistenza di un guasto di terra aumenta però il campo elettrico verso massa in altri punti del circuito di eccitazione quando si inducono delle tensioni dovute al transitori di corrente statorici.
Ciò può portare ad un secondo guasto verso terra in un punto diverso.
fig. 19 Doppio guasto a massa nel circuito rotorico
Con due guasti verso massa in X1 ed X2 (vedi fig. 19) una parte dell’avvolgimento di campo (da X1 ad X2) viene cortocircuitata e percorsa da una corrente minore della dovuta, mentre l’altra parte dell’avvolgimento (AX1 ed X2B) viene ad essere percorsa da una corrente superiore essendo diminuita la resistenza dell’intero circuito.
I flussi rotorici vengono così ad essere alterati con squilibrio delle forze magnetiche agenti sul rotore. Tale squilibrio dipende dai punti di guasto X1 ed X2 e provoca vibrazioni sui cuscinetti, sull’albero, ecc.
Occorre quindi rivelare già il primo guasto a terra per cautelarsi da simili inconvenienti.
fig. 20 Protezione di terra rotorica
In fig. 20 viene illustrato un tipico sistema di protezione contro i guasti di terra rotorica.
Fra un punto P del circuito di campo e la massa viene applicata una tensione in c.a. fornita da una sorgente ausiliaria e viene rivelato, tramite un relè a massima corrente, il passaggio di corrente nel circuito così formato; in assenza di guasto tale relè non viene percorso da corrente, se si trascura la modesta corrente dovuta alla capacità degli avvolgimenti verso massa, mentre viene percorso da corrente al verificarsi di un guasto verso massa nel circuito di eccitazione. La capacità in serie al relè serve ad isolare da terra il circuito di eccitazione.
Altri sistemi impiegano la corrente continua come alimentazione ausiliaria ma sono concettualmente vicini a quello descritto.
L’intervento del relè di terra rotorica dà solo un allarme dato che non esistono, come accennato, immediati pericoli per la macchina.
4.3.7 Protezione contro il ritorno di energia
Codice 67
Il funzionamento del generatore come motore, cioè con assorbimento da parte della macchina di energia elettrica dalla rete per trascinare in rotazione il proprio rotore e la turbina, è generalmente causato da un guasto al motore primo oppure al sistema di regolazione della velocità (distributore).
Dal punto di vista dell'alternatore niente osta ad un simile funzionamento. Chi invece risente di un simile funzionamento è il motore primo che pertanto va protetto.
Per le turbine a vapore si ha un riscaldamento delle palette dato che il flusso di vapore che attraversa la turbina è ridotto e non riesce a portare via la quantità di calore prodotta dalle perdite di ventilazione. La potenza attiva richiesta per “motorizzare” un gruppo a vapore è dell'ordine del 3% della potenza in MVA del generatore.
Per le turbine idrauliche a regimi ridottissimi di acqua si ha un aumento della cavitazione delle pale. La potenza attiva richiesta per motorizzare un gruppo idraulico si aggira sul 2.5% della potenza nominale del generatore. Poiché per i gruppi idraulici il danno provocato dal funzionamento come motore è minimo, non sempre si provvede a proteggerli contro questo evento.
Per i motori Diesel il trascinamento dall’alternatore può essere causa di esplosioni di gasolio incombusto. Il Diesel richiede una potenza di circa 15% ¸ 25% della propria potenza nominale per essere trascinato: è una potenza ragguardevole che può mettere in difficoltà le piccole reti su cui erogano i gruppi Diesel.
Per le turbine a gas non vi sono problemi di riscaldamenti o perdite particolari; solo che la potenza assorbita per trascinare il complesso turbina compressore alternatore può arrivare anche al 50% della potenza nominale della macchina e questo è il motivo principale per cui non è desiderato un funzionamento simile.
La protezione elettrica che fa fronte a questo funzionamento anomalo del generatore è un relè wattmetrico installato sul montante a media tensione che controlla il flusso della potenza attiva, esso è sensibile alle piccole potenze assorbite dalla macchina (1% ¸ 1.5% degli MVA nominali) ed è sufficientemente ritardato (5s ¸ 10s) per non intervenire intempestivamente durante i regimi transitori in cui si possono avere degli scambi di potenza attiva tra il generatore e la rete, come può succedere alla messa in parallelo della macchina o nella fase successiva alla eliminazione di un guasto in rete.
4.3.8 Protezione contro la velocità di fuga
Per velocità di fuga si intende una velocità del 3% ¸ 6% circa superiore a quella nominale della macchina. Il generatore può arrivare a simili regimi per distacco improvviso del carico, per perdita della eccitazione oppure per cattivo funzionamento del regolatore del motore primo.
Evidentemente un funzionamento della macchina a velocità superiore alla nominale non è sostenibile per i seguenti motivi:
La protezione contro velocità di fuga viene realizzata attraverso il centrifugo del regolatore di velocità oppure attraverso una dinamo tachimetrica che controlla la velocità dell’alternatore. La protezione comanda l’apertura dell’interruttore di macchina e chiude il distributore della turbina portandolo al minimo: il generatore viene riportato dal regolatore alla velocità di sincronismo pronto a riprendere il parallelo con la rete.
4.3.9 Protezione contro la frequenza ridotta
Codice 81
Può accadere che a causa di gravi perturbazioni che avvengono in rete il gruppo rimanga, da solo o con altri, in servizio separato ad alimentare alcuni carichi (servizio in isola).
La frequenza può scendere sotto il valore nominale quando il carico supera la potenza di generazione disponibile. In questi casi si interviene nella rete mediante relè alleggeritori di carico che staccano alcuni carichi preordinati. Se nonostante ciò la frequenza rimane bassa e tale da compromettere il funzionamento del generatore e dei suoi servizi ausiliari, per mezzo di un relè a minima frequenza si apre l’interruttore di macchina lasciando il generatore separato sui propri servizi pronto al parallelo con la rete.
4.3.10 Protezione di minima tensione
Codice 27
Per la protezione a minima tensione valgono le stesse considerazioni svolte al paragrafo per la minima frequenza: quando la tensione sulle sbarre a media tensione del generatore scende sotto il valore per il quale il funzionamento dei servizi ausiliari diviene precario, si apre l’interruttore del generatore per intervento di un relè di minima tensione convenientemente ritardato (5s). Se le cause dell’abbassamento di tensione erano esterne, il generatore si riporta alla propria tensione pronto a riprendere il parallelo. Il valore di intervento della minima tensione è di solito intorno al 80% della tensione nominale del generatore.
4.3.11 Protezione contro la perdita di sincronismo
Quando il generatore perde il sincronismo l’impedenza misurata da un relè distanziometrico varia descrivendo sul piano delle impedenze una certa curva disegnata in fig. 21.
Si predispongono due relè ad impedenza di tipo particolare, cioè tali da misurare la componente dell’impedenza in una certa direzione, in modo tale che se l’impedenza assume il valore corrispondente alla caratteristica di uno dei due suona un allarme o si apre un interruttore.
4.3.12 Protezione antincendi
La protezione per macchine ventilate in un ciclo aperto, consiste nella chiusura della finestra di presa d’aria per ventilazione. Nelle macchine raffreddate in un ciclo chiuso, si pompa biossido di carbonio nel circuito di ventilazione. Le macchine ad idrogeno sono autoprotette contro gli incendi.
Altre protezioni riguardano il controllo del buon funzionamento del circuito di refrigerazione, dei cuscinetti, ecc., ma esorbitano la sfera delle protezioni che qui vogliamo esaminare.
4.4 PROTEZIONE CONTRO LA MANCATA APERTURA INTERRUTTORE GENERATORE (MAIG)
Al paragr. 2 è stato introdotto il MAIG e descritta la sua funzione. Esso consta di:
Per i gruppi di grossa taglia, non fidandosi delle segnalazioni fornite dai contatti di fine corsa dell’interruttore, si installano dei relè di massima corrente (codice 51 R), uno per ogni polo dell’interruttore, che vengono inseriti dopo il comando di apertura; tarati a bassi valori di corrente, con il loro intervento segnalano la presenza di corrente e quindi la mancata apertura dell’interruttore.
Uno schema semplificato del dispositivo di mancata apertura interruttore con telescatto diretto è riportato in fig. 22.
Su comando di apertura da protezioni (chiusura del contatto CA) si eccitano le bobine di apertura (BAP) dell’interruttore del generatore; in caso di mancata apertura i relè di massima corrente 51R rilevano una corrente e chiudono il loro contatto di lavoro al che a sua volta permette l’avviamento del relè cronometrico ΔT. Quest’ultimo dopo il tempo di taratura (0.15s ¸ 0.20s) chiude il suo contatto di lavoro t1 eccitando il MAIG.
Il MAIG, mediante la chiusura del contatto b1 permette l’invio del telescatto all’interruttore remoto: il segnale di telescatto chiude il contatto C1 eccitando le bobina di apertura BAP di detto interruttore.
PROTEZIONE DEI TRASFORMATORI
1. PREMESSA
Questa parte della tesina si occupa della protezione dei trasformatori di grande potenza e precisamente dei trasformatori di interconnessione, dei trasformatori elevatori di gruppo e dei trasformatori di distribuzione AT/MT. I piccoli trasformatori di distribuzione MT/BT (400 kVA ¸ 800 kVA) vengono il più delle volte protetti con fusibili oppure la protezione è assicurata dalle stesse protezioni delle linee a media tensione cui sono allacciati.
I trasformatori sono macchine meno sofisticate degli alternatori, i guasti e le condizioni anomale di funzionamento cui possono essere soggetti sono in numero molto minore. Si elencano i principali:
In generale non si provvede alcuna protezione contro una fase aperta in quanto tale guasto non costituisce un pericolo per la macchina. Il surriscaldamento ed il sovraccarico vengono invece controllati nello stesso modo visto per il generatore:
Il cortocircuito interno è il guasto che si verifica all’interno della zona protetta cioè fra i riduttori di macchina; esso può verificarsi fra gli avvolgimenti o verso massa, sui passanti o sui collegamenti del trasformatore alle sbarre.
Il cortocircuito esterno è quello che si verifica sulle sbarre o sulle linee in partenza da esse; a tali guasti le protezioni del trasformatore devono fare fronte come riserva.
I guasti interni sono molto seri, e quasi sempre sono accompagnati da incendi a causa degli oli utilizzati per il raffreddamento, che se riscaldati producono gas infiammabili. Questi guasti possono essere distinti in due gruppi:
Generalmente, per il gruppo a, è molto importante che l’equipaggiamento guastato possa essere isolato il prima possibile dopo che il guasto si è manifestato, non solo per limitare i danni, ma anche per minimizzare il tempo durante il quale il sistema di tensione è sollecitato. Infatti un prolungato tempo caratterizzato da bassa tensione può causare una perdita di sincronismo tra le macchine rotanti, e se questo accade, l’eccessivo passaggio di corrente può fare intervenire altri relè a protezione dei generatori distaccandoli dalla rete.
I guasti di tipo b, non sono di natura seria, ma causano guasti più gravi col perdurare.
Risulta evidente che i sistemi di protezione utilizzati per i guasti di tipo a non sono generalmente usati per i guasti di tipo b.
2. TRASFORMATORI DI INTERCONNESSIONE E TRASFORMATORI ELEVATORI DI GENERATORI.
Questi tipi di trasformatori sono alimentati da entrambi i lati. Le protezioni tipiche contro i guasti interni sono la differenziale, il Buchholz e la terra-ristretta, mentre contro i guasti esterni è pratica comune adottare relè di massima corrente e/o protezioni distanziometriche.
2.1 GUASTI INTERNI NEI TRASFORMATORI E RELATIVI SISTEMI DI PROTEZIONE
2.1.1 Protezione differenziale del trasformatore
Codice 87
La protezione contro i cortocircuiti interni nei trasformatori di elevata potenza viene ottenuta tramite relè differenziale percentuale che confronta le correnti di fase nel circuito di alta tensione con le correnti di fase nel circuito di bassa tensione.
Andamento delle correnti per un guasto esterno trifase in X
La protezione differenziale è una protezione assolutamente selettiva e fa fronte a tutti i guasti che si verificano internamente ai punti di installazione dei riduttori di corrente che alimentano il relè.
Vi sono alcuni guasti che possono non essere sentiti dalla differenziale ad esempio quelli vicini al centro stella degli avvolgimenti oppure quelli molto resistivi negli avvolgimenti.
Vedremo in seguito che l’eliminazione di questi guasti è affidata al relè Buchholz.
Passeremo ora in rassegna i problemi che si incontrano nella installazione della differenziale sui trasformatori.
Collegamenti della protezione differenziale ai riduttori
Come già detto la protezione differenziale non interviene per guasti esterni ma solamente per guasti entro la zona protetta; i collegamenti dei riduttori rispecchiano questo requisito fondamentale. Un cattivo collegamento dei riduttori può far intervenire intempestivamente il relè o fare mancare lo scatto quando invece è voluto. I collegamenti devono essere fatti e controllati in due tappe successive:
Si insiste sui collegamenti perché il trasformatore presenta due lati a tensione diversa e gli avvolgimenti possono indifferentemente essere a stella o a triangolo.
1) Controllo di fase
Si ricorda che la protezione differenziale sente la differenza vettoriale delle correnti; occorre quindi collegare i riduttori in modo da compensare l’eventuale sfasamento introdotto nelle correnti dal gruppo cui appartiene il trasformatore.
Vi è una regola da applicare nei collegamenti dei riduttori per alimentare la protezione differenziale dei trasformatori con gli avvolgimenti a stella-triangolo. Essa stabilisce che i riduttori installati lato avvolgimento a stella del trasformatore devono avere i secondari collegati a triangolo ed i riduttori lato triangolo del trasformatore devono avere i secondari collegati a stella. In realtà i riduttori potrebbero essere collegati anche diversamente per far fronte al controllo di fase, ma vi è un altro problema che rende obbligatoria la regola suddetta: rendere insensibile la protezione differenziale ai guasti esterni monofasi.
Supponiamo infatti che si verifichi un guasto esterno monofase lato stella con neutro a terra del trasformatore di fig. 1: una corrente omopolare si richiude nel neutro del trasformatore. Detta corrente non è presente nel montante lato triangolo del trasformatore perché la corrente omopolare si richiude negli avvolgimenti del triangolo. In questo modo la protezione differenziale sentirebbe questa corrente e, a seconda della sua ampiezza, potrebbe intervenire. Solo collegando a triangolo i riduttori lato stella del trasformatore si viene a bloccare questa omopolare e la differenziale rimane stabile anche per i guasti monofasi esterni. Se il neutro del centro stella del trasformatore fosse isolato evidentemente il problema non si porrebbe.
La regola suddetta non è assoluta potendosi trovare qualche volta dei collegamenti dei riduttori diversi e che ancora rispondono al requisiti della differenziale, ma è una regola che va sempre bene ed è quindi opportuno applicarla.
2) Controllo di rapporto
Con le connessioni discusse nel controllo di fase ci siamo preoccupati di compensare lo sfasamento introdotto nelle correnti dal trasformatore con avvolgimenti stella-triangolo; ora ci dobbiamo preoccupare di compensare la differenza di ampiezza delle correnti che percorrono i due avvolgimenti del trasformatore in modo da presentare al relè differenziale una corrente differenza nulla nei casi di funzionamento a regime o di guasto esterno.
Se indichiamo con K il rapporto di trasformazione del trasformatore e si trascurano la corrente di magnetizzazione e le cadute di tensione, avremo:
dove V1, V2, I1, I2 sono rispettivamente le tensioni e le correnti nominali degli avvolgimenti.
Se con KTA1 e KTA2 si indicano i rapporti dei riduttori impiegati per ridurre al secondario rispettivamente le correnti I1 ed I2 in assenza di guasto le correnti secondarie dovranno essere uguali e cioè:
o anche:
Quindi, i rapporti dei riduttori di corrente che alimentano la protezione differenziale di un trasformatore devono ubbidire alla relazione trovata. Di conseguenza, fissato il rapporto di una terna di riduttori, ad es. KTA1, ricaviamo il rapporto che deve avere la seconda terna di riduttori.
Spesso però riduttori con rapporto simile non si trovano in commercio a meno che non si facciano costruire di proposito. Il che è antieconomico. Dunque l’impiego di una terna di riduttori ausiliari si rende quasi sempre necessaria nell’installazione di una protezione differenziale di un trasformatore in modo da ottenere il rapporto voluto. Anzi spesso si inseriscono riduttori ausiliari su ambedue i secondari dei TA principali; ciò per bilanciare meglio le correnti avendo in questo modo a disposizione una maggiore gamma di valori per affinare il controllo di rapporto. Ai riduttori ausiliari viene assegnato anche il compito del controllo di fase scegliendo opportunamente i collegamenti tra i loro avvolgimenti.
Nelle fig. 2, sono riportati esempi di collegamento dei riduttori principali e dei riduttori ausiliari alla protezione differenziale per vari di trasformatori di diverso gruppo.
La protezione differenziale sui trasformatori a tre avvolgimenti
In questo caso occorre sommare le correnti di tutti e tre gli avvolgimenti ed eseguire i controlli di fase e di rapporto sui tre lati in modo che a carico normale non circoli alcuna corrente differenza nella protezione differenziale.
Per il controllo di fase si prende uno qualsiasi degli avvolgimenti come riferimento (ad es. il primario) e si collegano i riduttori principali ed ausiliari degli altri due avvolgimenti (secondario e terziario) in modo da riportare in fase le rispettive correnti rispetto a quelle dell’avvolgimento preso come riferimento. In questo modo automaticamente vengono ad essere rispettati i collegamenti necessari fra secondario e terziario.
Per il controllo di rapporto si prendono in esame gli avvolgimenti due a due supponendo aperto il terzo e si eseguono le verifiche descritte al paragrafo precedente per la macchina a due avvolgimenti.
Nelle fig. 3 e 4 sono riportati due esempi di collegamenti dei riduttori principali ed ausiliari alla differenziale per trasformatori a tre avvolgimenti.
Effetti della corrente di inserzione sulla protezione differenziale
Quando un trasformatore viene inserito sulla rete con l’altro avvolgimento aperto ha origine un transitorio di corrente chiamato transitorio di inserzione.
La corrente di inserzione a vuoto di un trasformatore fluisce in un solo avvolgimento e, dato che la sua ampiezza può essere anche dieci o più volte maggiore della corrente nominale del trasformatore, essa appare come una corrente di guasto nel circuito della protezione differenziale ed è capace di provocarne l’intervento. Occorre porre un rimedio a questo inconveniente altrimenti non saremmo mai in grado di mettere in servizio un trasformatore protetto con differenziale: appena chiuso l’interruttore da un lato, la differenziale interverrebbe mandando in blocco la macchina.
Finito il transitorio di inserzione la corrente si stabilizza sul valore della corrente di magnetizzazione la quale è una piccola percentuale della corrente nominale di macchina (meno dell’1% per trasformatori di grossa potenza). Anch’essa appare come una corrente di guasto nel circuito differenziale ma la sua ampiezza è limitata e se ne tiene conto nella taratura della protezione differenziale.
fig. 5 Inserzione a vuoto di un trasformatore e rappresentazione del circuito primario.
Consideriamo un trasformatore a vuoto messo in tensione dal lato primario come indicato in fig. 5.
fig. 6 Forma d’onda della tensione, del flusso transitorio e della corrente all’inserzione a vuoto di un trasformatore (cosλ=0)
A regime il flusso Φ nel ferro è in quadratura in ritardo rispetto alla tensione V applicata come è indicato in fig. 6 - curve tratteggiate -. Supponiamo che il generatore equivalente sia di potenza infinita.
Alla chiusura dell’interruttore I il flusso Φ passa dal valore ΦR (flusso residuo esistente nel nucleo del trasformatore prima dall’inserzione) al valore di regime con un transitorio che dipende:
Possiamo scrivere per l’equilibrio elettrico del circuito alla chiusura dell’interruttore I:
dove
v valore istantaneo della tensione applicata
VM valore massimo della tensione
R resistenza avvolgimento primario
I corrente istantanea che percorre il primario
Φ flusso istantaneo
np numero spire dell’avvolgimento primario
λ angolo di fase della tensione all’istante t=0
Trascurando in un primo tempo, per semplicità, la resistenza R ed integrando la precedente equazione differenziale abbiamo:
con Φt = flusso transitorio da determinare.
Indicando con
e chiamando ΦR il flusso residuo esistente nel pacco lamierini del trasformatore prima dell’inserzione, all’istante iniziale t = 0 è Φ = ΦR.
Sostituendo ricaviamo Φt; al tempo t = 0 è:
cioè
da cui
L’ampiezza del flusso, quindi della corrente di inserzione, varia con il punto dell’onda di tensione nel momento di chiusura (λ) e con polarità e ampiezza del magnetismo residuo (ΦR).
La condizione di flusso massimo si verifica quando l’inserzione viene fatta nell’istante in cui la tensione si annulla, ossia il flusso di regime passa per il valore massimo (λ = 0).
In fig. 6 è riportato questo caso: si vede che dopo ½ ciclo (ωt = π) il flusso assume il massimo valore ΦP; il suo valore dall’equazione precedente è:
Il valore istantaneo del flusso transitorio concatenato con l’avvolgimento del trasformatore manda in saturazione il nucleo di ferro (Φsat è il valore del flusso alla saturazione).
In regime di saturazione, praticamente, è come se avessimo un nucleo in aria; cioè l’induttanza offerta dall’avvolgimento del trasformatore diviene estremamente piccola. Ciò richiama una corrente di valore elevato per produrre il flusso transitorio presente.
La corrente di inserzione si smorza nei cicli successivi per effetto della resistenza R dell’avvolgimento primario e del generatore equivalente che alimenta il trasformatore, resistenze che avevamo trascurato nella nostra trattazione.
La corrente di inserzione diminuisce fortemente nei primi cicli, poi con più lentezza, arrivando ai valori di regime dopo alcuni secondi.
Si fa notare che l’inserzione a vuoto di un trasformatore trifase è un fenomeno più complesso di quello trattato: si hanno flussi residui diversi sulle tre colonne, valori differenti delle componenti unidirezionali delle tre correnti di fase, ecc.
Infatti il circuito in esame non ha una costante di tempo fissa: il rapporto L/R varia perché l’induttanza passa da valori iniziali molto bassi (ferro completamente saturato) a valori più alti via via che le perdite smorzano il fenomeno.
Sulla durata del transitorio ha influenza anche la resistenza del generatore equivalente che alimenta il trasformatore; così i trasformatori installati nel pressi dei generatori sono soggetti a transitori di inserzione più lunghi di quelli a cui sono sottoposti i trasformatori installati in stazioni lontane dalla produzione dato che la resistenza delle linee di collegamento smorza velocemente la corrente.
La corrente di inserzione si manifesta non solo alla chiusura di un interruttore del trasformatore ma anche al recupero di tensione in rete successivo all’eliminazione di un guasto in rete con il trasformatore collegato alla rete stessa: in questo caso siamo in presenza di un transitorio di flusso governato dalle stesse leggi dell’inserzione viste sopra.
Metodi per prevenire l’intervento della differenziale all’inserzione
Un relè a bassa velocità, differenziale, del tipo ad induzione non risente alcun fastidio, ma i relè ad alta velocità che sono necessari per considerazioni di stabilità, presentano problemi seri a tal riguardo.
I metodi escogitati per prevenire l’intervento della differenziale del trasformatore all’inserzione sono i seguenti:
La protezione differenziale viene inserita trascorso un certo tempo dalla chiusura del primo interruttore, vale a dire quando il transitorio di inserzione si è estinto. È un sistema arcaico che lascia senza protezione differenziale il trasformatore per un certo tempo; se si verificasse un guasto proprio durante questa fase le conseguenze sarebbero gravi.
Si può aumentare la corrente minima di sblocco e ritardare l’intervento della protezione in modo che essa non intervenga all’inserzione del trasformatore.
Anche questo è un metodo superato che comporta due inconvenienti:
Si installa un relè di minima tensione azionante un cronometrico che con il suo contatto cortocircuita la bobina agente del relè differenziale.
A trasformatore disalimentato il relè di tensione inibisce il funzionamento della protezione differenziale inserendola dopo un certo tempo dall’istante d’inizio della inserzione.
Se si verifica un guasto in questa fase il relè non chiude il suo contatto prima che sia trascorso il tempo di ritardo permettendo così l’intervento della differenziale. È un metodo più sofisticato, migliore dei metodi a) e b) descritti ma ha l’inconveniente di escludere la differenziale durante l’inserzione.
È il sistema moderno che sfrutta la forma d’onda tipica della corrente d’inserzione di un trasformatore. Abbiamo visto che l’onda di corrente ha una forma distorta caratterizzata da grandi ampiezze delle componenti armoniche superiori alla fondamentale.
Una tipica corrente di inserzione con λ = 90° ha mostrato il seguente contenuto di armoniche (ampiezze espresse in percentuale della fondamentale): l’ampiezza della componente unidirezionale varia dal 40% al 60%, quella di 2a armonica dal 30% al 70%, quella di 3a armonica dal 10% al 30%; le ampiezze delle armoniche superiori sono progressivamente minori: esse dipendono dal trasformatore in esame e dal generatore equivalente che lo alimenta. Facciamo notare che la 3a armonica ed i suoi multipli, che come sappiamo si comportano come la componente omopolare, non circolano nella protezione differenziale in quanto trovano sfogo negli avvolgimenti a triangolo del trasformatore stesso, oppure vengono bloccate dall’avvolgimento a triangolo dei riduttori ausiliari. Ci si affida quindi soprattutto alla componente unidirezionale ed alla seconda armonica per bloccare l’intervento della protezione differenziale.
I metodi per realizzare il blocco sono principalmente due:
Il relè differenziale viene messo a punto in modo tale da non intervenire se la seconda armonica supera il 15% circa della fondamentale.
La componente unidirezionale e la seconda armonica possono essere presenti anche in una corrente di guasto al secondario di un riduttore quando questo si satura. Viene previsto allora un relè rapido supervisore di massima corrente tarato a valori più alti della corrente di inserzione del trasformatore che interdice il blocco di armoniche sopra detto. In questo modo per guasti interni con grandi correnti di guasto la protezione differenziale interviene rapidamente;
Questo tipo di protezione utilizza il fatto che la corrente transitoria di inserzione è costituita da corrente pulsante unidirezionale di polarità positiva o negativa, mentre le correnti di guasto sono alternate. Nel circuito di sgancio dell’interruttore è previsto quindi un contatto che si chiude solo quando si è in presenza di corrente alternata.
Vi sono altri metodi i cui principi di funzionamento sono sostanzialmente analoghi a quelli descritti.
Taratura della differenziale
I relè differenziali usati per la protezione dei trasformatori non possono essere calibrati per una differenza percentuale così bassa come per i generatori, ma la sensibilità (o corrente minima di sblocco) va regolata tenendo conto che:
Per questi motivi, la differenza percentuale non viene più fissata al 10% come nei relè per generatori, ma deve raggiungere il 25% ¸ 30% della corrente più piccola che attraversa le bobine antagoniste.
Il tempo di intervento della protezione differenziale deve essere istantaneo trattandosi di guasti interni alla macchina: fanno eccezione quei relè che si fondano sul ritardo per rendere inattiva la protezione differenziale durante l’inserzione del trasformatore.
2.1.2 Protezione di terra ristretta contro i guasti a terra
Codice 87 I0 oppure 51 I0
Il cortocircuito di un avvolgimento verso massa è uno tra i guasti più comuni che accadono negli avvolgimenti di un trasformatore. Il guasto quasi sempre si manifesta inizialmente con una debole perforazione dell’isolante verso il cassone, quindi con una piccola corrente di guasto verso terra che non sempre la differenziale è in grado di avvertire (vedi paragrafo precedente). Non solo, ma la percentuale di avvolgimento che la differenziale protegge dai guasti monofasi dipende anche dallo stato del neutro che può essere:
Nel caso a) la percentuale di avvolgimento protetto dipende dalla sensibilità della differenziale e dalla posizione del punto di guasto.
Nel caso b) detta percentuale dipende oltre che dagli stessi fattori visti nel caso a) anche dal valore della resistenza di messa a terra del neutro che limita la corrente di guasto verso massa.
Nel caso c) la percentuale di avvolgimento protetto dipende anche dal piano di messa a terra della rete che alimenta il guasto e dal collegamenti degli avvolgimenti (stella-stella, stella-triangolo, ecc.) del trasformatore.
Per eliminare il più rapidamente possibile i cortocircuiti verso massa degli avvolgimenti del trasformatore fin dal loro insorgere occorre quindi installare protezioni adatte più sensibili della differenziale. Il relè di terra ristretta, molto usato nei paesi anglosassoni, ne è un esempio.
La corrente che passa nel collegamento a terra del neutro del trasformatore viene confrontata con la corrente omopolare di montante in un circuito differenziale come indicato in fig. 8-a. Per un guasto esterno le correnti si compensano mentre per un guasto interno non vi è più equilibrio e la protezione interviene; di fatto è una protezione differenziale di corrente omopolare.
Per gli avvolgimenti trasformatori non messi a terra, a triangolo oppure a stella con neutro isolato, si adotta lo schema di fig. 8-b. Il relè al guasto è una massima corrente omopolare che viene percorso da corrente solo in caso di guasti verso terra interni agli avvolgimenti o nel tratto fra i TA ed i terminali del trasformatore.
2.1.3 Protezione a sviluppo di gas – relè Buchholz
Codice 97
L’esperienza insegna che i guasti interni alla macchina, che provocano un anormale riscaldamento anche locale del trasformatore, si manifestano con svolgimento di gas sotto forma di bollicine nell’olio; queste, per il loro piccolo peso specifico, si dirigono verso l’alto percorrendo la tubazione che collega il trasformatore al contenitore dell’olio. Un guasto incipiente produce del gas lentamente, mentre i guasti più pericolosi producono rapidamente grandi quantità di gas aumentano la pressione nel cassone.
Il relè Buchholz, che è un relè essenzialmente meccanico, sfrutta il moto ascendente di tali bollicine. Vi sono due varianti del relè Buchholz: un tipo per installazione sul condotto che dal cassone porta al conservatore d’olio, ed un secondo tipo per installazione direttamente sul cassone.
Il relè consiste in un recipiente metallico montato sulla tubazione in posizione adatta per essere raggiunto dalle bolle di gas che si formano all’interno del trasformatore
All’interno di questo recipiente ci sono due elementi: quello nella parte più alta (b1) viene messo in funzione da lenti accumuli di gas, rilevando così un guasto incipiente e fa suonare un allarme; un elemento di intervento rapido (b2) che risponde alla pressione del flusso del gas (una grossa bolla di gas) ed comanda la messa fuori servizio della macchina quando si verifica un guasto più grave.
Il relè Buchholz è usato universalmente. È una protezione semplice, economica e di sicuro funzionamento; fa fronte a tutti i guasti che avvengono internamente al cassone, compresi i guasti negli avvolgimenti del trasformatore che la differenziale non avverte a causa della sua insensibilità; permette di rilevare guasti nel loro primo stadio di sviluppo in modo che si possa ripararli con meno spesa ed in meno tempo; non è influenzato dalla corrente di eccitazione alla inserzione.
Un’analisi del tipo di gas prodotto può già permetterci di localizzare grosso modo se il guasto interessa gli avvolgimenti o se è stato interessato il nucleo. Il minimo tempo di intervento nel relè Buchholz è di 0.1s circa ed un tempo medio è di 0.2s, che è un tempo di intervento molto lungo. Perciò per guasti di una certa entità occorreranno i relè elettrici per assicurare un intervento più pronto lasciando al Buchholz il compito di avvertirci soprattutto per guasti incipienti, difficilmente evidenziabili con altri tipi di relè, ed il compito di protezione di riserva.
Il relè Buchholz lascia scoperti gli isolatori passanti del trasformatore che sono invece coperti dalla differenziale.
Differenziale e Buchholz sono quindi complementari e si trovano sempre installate su tutti i trasformatori di grande potenza.
Il relè Buchholz può dar luogo ad interventi intempestivi a causa di bollicine di aria rimaste imprigionate nel trasformatore e trasportate dalle pompe di circolazione dell’olio; per questo motivo, a fronte di un intervento del relè, prima di procedere allo smontaggio della macchina per cercare il punto di guasto, si preleva un campione del gas per sottoporlo ad analisi chimica: solo la presenza di prodotti di combustione rivela che siamo in presenza di un guasto.
2.2 GUASTI ESTERNI NEI TRASFORMATORI E RELATIVI SISTEMI DI PROTEZIONE
I guasti esterni, che si verificano al di fuori dei riduttori lato AT del trasformatore, non sono coperti dalla differenziale. Nel caso in cui essi non vengano eliminati dalle appropriate protezioni di rete, occorre aprire gli interruttori dei trasformatori. A tale scopo sui trasformatori di interconnessione vengono impiegate massime correnti ad una soglia temporizzata installate su uno o su ambo i lati con taratura 1.4 In ¸ 1.6 In (In corrente nominale del rispettivo avvolgimento) e tempo di ritardo t = 1.5s ¸ 2s. Esse, coordinate con quelle delle linee e delle sbarre, agiscono come protezioni di riserva ed inoltre salvaguardano la macchina contro i forti sovraccarichi. Sui trasformatori di grande taglia si preferisce installare una protezione distanziometrica con criteri analoghi a quelli esposti al paragr. 4.2.2 per i generatori.
2.3 FUNZIONAMENTI ANOMALI E I RELATIVI SISTEMI DI PROTEZIONE
2.3.1 Controllo dello stato termico del trasformatore
La protezione per guasti nel circuito di raffreddamento in genere aziona soltanto un allarme senza mettere fuori servizio il trasformatore, poiché i trasformatori possono funzionare per un certo tempo a carico quasi normale anche in assenza di raffreddamento.
2.3.2 Protezione antincendi
La protezione antincendio è più importante nei trasformatori che non negli alternatori a causa delle grandi masse d’olio presenti che potrebbero costituire grave pericolo di propagazione dell’incendio nel caso in cui l’olio dovesse fuoriuscire dal cassone.
I mezzi più comunemente usati sono:
3. TRASFORMATORI DI DISTRIBUZIONE AT/MT
Si considera rete MT gestita a neutro isolato.
I trasformatori di distribuzione sono alimentati da un solo lato e vengono protetti di norma, con massime correnti contro i cortocircuiti plurifasi e con relè di tensione omopolare contro i guasti a terra lato MT; è poi previsto il relè Buchholz per i guasti interni di qualsiasi tipo.
Del relè Buchholz si è parlato al paragr. 2.1.3; gli altri relè sono illustrati di seguito.
3.1 GUASTI NEI TRASFORMATORI E RELATIVI SISTEMI DI PROTEZIONE
3.1.1 Protezioni di massima corrente (contro i guasti plurifasi)
Codice 50/51
Normalmente vengono impiegati due relè di massima corrente installati rispettivamente sul primario (cioè lato alimentazione) e sul secondario.
fig. 10 Protezione dei trasformatori di distribuzione con relè di massima corrente.
Le aree protette sono indicative.
La fig. 10 illustra l’installazione ed i comandi dei relè e mostra indicativamente le relative aree protette.
Il relè installato sul primario ha lo scopo di proteggere il trasformatore dai guasti plurifasi e deve essere selettivo nei riguardi delle protezioni sia della rete di distribuzione a valle sia della rete di alimentazione a monte.
Il relè installato sul secondario invece ha lo scopo di proteggere la macchina dai grandi sovraccarichi ed agire come riserva alle protezioni contro i guasti plurifasi delle linee di distribuzione.
Il relè di massima corrente al primario è provvisto di due soglie di corrente, una ad intervento istantaneo (cod. 50) e l’altra temporizzata (cod. 51).
La soglia istantanea assicura la selettività nel confronti della rete di alimentazione per tutti i tipi di guasto che avvengono in X1 (vedi fig. 10) fra il riduttore di corrente ed i passanti del primario del trasformatore considerando la rete AT messa efficacemente a terra. Essa non deve intervenire per guasti che avvengono sulle sbarre a media tensione o sulle linee di distribuzione le quali hanno le loro massime correnti tarate con la soglia istantanea.
Per questi motivi la taratura della soglia istantanea viene fatta per una corrente superiore al valore:
dove: In corrente nominale di macchina;
Vcc tensione di cortocircuito del trasformatore in valore relativo.
Icc è la massima corrente possibile che attraversa il trasformatore per guasto trifase al secondario. Di norma sarà It = 1.2 Icc (It corrente di taratura). Occorre naturalmente verificare, che la rete fornisca una corrente superiore a Icc per qualsiasi guasto lato AT del trasformatore.
La seconda soglia temporizzata ha lo scopo di proteggere il trasformatore dai guasti plurifasi che possono avvenire tra gli avvolgimenti fino alle sbarre a MT comprese (vedi fig. 10: guasti in X2 e X3); nello stesso tempo deve essere selettiva con i relè di protezione delle linee a MT tarate con soglia istantanea (guasti in X4).
Per questi scopi essa ha una taratura in corrente It = 0.3 Icc ¸ 0.5 Icc che ne assicura l’intervento per qualsiasi guasto plurifase che avvenga sulle sbarre a MT.
Con questa taratura si è tenuto conto di un eventuale esercizio a tensione inferiore alla nominale e di una condizione di “bassa generazione” della rete di alimentazione (in questo caso si sceglie il valore più basso 0.3 Icc salvo eseguire una verifica mediante calcoli quando l’impedenza equivalente Zeq è molto alta).
La seconda soglia è poi ritardata di 0.5 secondi circa per assicurare la selettività con le protezioni delle linee di distribuzione.
Il relè di massima corrente installato al secondario è provvisto di una sola soglia temporizzata; esso protegge la macchina contro i forti sovraccarichi e fa da riserva all’intervento temporizzato delle protezioni di massima corrente delle linee di distribuzione (guasti in X5 - fig. 10). La sua taratura normalmente è: in corrente 1.3 In ¸ 1.5 In con In corrente nominale secondaria del trasformatore; in tempo 1.5s ¸ 2.0s di ritardo.
Altra protezione contro i sovraccarichi può essere fornita dai relè termici i quali dovrebbero rispondere alla temperatura del rame perché gli avvolgimenti hanno una costante di tempo minore che non il nucleo o l’olio.
Anche in questo caso si usa il relè ad immagine termica, nei trasformatori di grande potenza. L’indicatore è un termometro a resistenza o un bulbo contenente liquido volatile che aziona un indicatore di pressione.
L’indicatore di temperatura, componente principale del relè ad immagine termica, è posto in un recipiente ripieno d’olio e situato nell’olio alla sommità del cassone in modo cioè che sia immerso negli strati più caldi. Il recipiente contiene anche una bobina di riscaldamento, alimentata dalla corrente secondaria di un TA inserito su uno degli avvolgimenti. La costante di tempo è la stessa dell’avvolgimento. Se la temperatura supera un limite prefissato viene azionato un allarme e se sale ulteriormente vengono aperti gli interruttori.
Osserviamo che al posto del termometro a bulbo può essere usata una lamina bimetallica che è meno delicata, e che quindi fornirà misure più precise.
3.1.2 Protezione dei trasformatori di distribuzione contro i guasti monofasi
Codice 59 Vo
L’eliminazione dei guasti monofasi che si verificano lato alta tensione (AT) (nel punto X1 di fig. 10) quando detta rete è efficacemente a terra, viene assicurata dal relè di massima corrente 51 (vedi paragr. 3.1.1).
L’eliminazione dei guasti monofasi che si verificano sul montante di media tensione (MT) del trasformatore - in X2, oppure sulle sbarre di media tensione in X3 di fig. 11 - viene assicurata da un relè di tensione omopolare 59V0 (vedi fig. 11).
fig. 11 Protezione dei trasformatori di distribuzione contro i guasti monofasi.
Le aree protette sono indicative.
Il relè 59V0 sente i guasti a terra che si verificano nella rete MT; esso viene tarato di norma:
• tensione 10 V ¸ 15 V secondari
• tempo 2s ¸ 3s
• comandi apertura interruttori AT ed MT del trasformatore.
Detto relè svolge anche il compito di protezione di riserva ai direzionali di terra delle linee a MT.
3.1.3 Protezione di terra cassone
Codice 51 I0
La protezione di terra-cassone, attualmente caduta in disuso, copre gli avvolgimenti del trasformatore fino all’uscita degli isolatori passanti.
Il cassone viene messo a terra tramite un collegamento diretto sul quale viene inserito un TA che alimenta un relè di massima corrente.
Il relè viene percorso da una corrente solo nel caso di guasto verso massa di un avvolgimento.
fig. 12 Protezione di terra - cassone.
Per un buon funzionamento della protezione occorre che il cassone sia ben isolato dal suolo in modo che il collegamento a terra del trasformatore sia solo quello sopraddetto. Spesso è sufficiente interrompere le rotaie funzionando come isolante il cemento in cui sono immerse.
Occorre inoltre isolare i motori dei ventilatori e del variatore sotto carico onde evitare scatti intempestivi per guasti verso massa dei motori stessi e dei loro circuiti di comando. Inoltre, come è facile comprendere, la messa a terra del neutro, se prevista, deve essere eseguita non direttamente sul cassone ma con collegamento separato alla maglia di terra.
La protezione di terra non è necessaria in presenza di protezioni differenziali, ma è vantaggiosamente utilizzabile per la protezione di trasformatori di media potenza data la sua economicità (infatti è realizzabile con un solo TA a fronte di sei TA della protezione differenziale).
BIBLIOGRAFIA
Le parti scritte in corsivo sono tratte dalla tesina di Impianti Elettrici intitolata “Le Protezioni dei Generatori e Trasformatori; Oscillazioni Pendolari.” di Bove Sabino Francesco e D’Elia Antonio a cui va il mio ringraziamento per il loro lavoro di cui questa tesina desidera essere momento di maggiore chiarimento e approfondimento dei sistemi di protezione delle macchine elettriche facenti parte di un qualsiasi sistema elettrico di potenza.
Fonte: ftp://ftp-dee.poliba.it/Bronzini/Politecnico%20di%20Bari/Ing.%20Elettrica/Impianti%20Elettrici%201/Esercitazioni%20didattiche/Protezione%20generatori%20%20e%20trasformatori/Sigrisi/Protezione%20delle%20macchine%20elettriche%20nei%20sistemi%20elettrici%20di.doc
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