Gestione dei guasti di cortocircuito monofase su linea di distribuzione 35kV

Linee di Distribuzione: Un Componente Chiave dei Sistemi Elettrici

Le linee di distribuzione sono un componente principale dei sistemi elettrici. Su una stessa barra a livello di tensione, sono connesse multiple linee di distribuzione (per l'ingresso o l'uscita), ciascuna con numerose ramificazioni disposte radialmente e collegate a trasformatori di distribuzione. Dopo essere state abbassate a bassa tensione da questi trasformatori, l'elettricità viene fornita a una vasta gamma di utenti finali. In tali reti di distribuzione, si verificano frequentemente guasti come cortocircuiti tra fasi, sovratensioni (sovrecarichi) e guasti monofase a terra. Tra questi, i guasti monofase a terra sono i più comuni, rappresentando oltre il 70% dei guasti totali del sistema. Inoltre, molti guasti di cortocircuito si evolvono da guasti monofase a terra che si trasformano in guasti multifase a terra.

I guasti monofase a terra si riferiscono a situazioni in cui una qualsiasi delle tre fasi (A, B o C) su una linea di distribuzione si rompe e cade a terra, entra in contatto con alberi, edifici, pali o torri, formando un percorso conduttivo con la terra. Possono anche risultare da sovratensioni causate da fulmini o altre condizioni atmosferiche, che danneggiano l'isolamento dell'equipaggiamento di distribuzione, causando un calo significativo della resistenza isolante a terra.

Quando si verifica un guasto monofase a terra in un sistema di terra a corrente ridotta, non si forma immediatamente un anello di guasto completo. La corrente di terra capacitiva è molto inferiore alla corrente di carico, e le tensioni lineari del sistema rimangono simmetriche, quindi la fornitura di energia agli utenti non viene interrotta immediatamente. Pertanto, le normative consentono l'operazione continua con un guasto a terra per un massimo di 2 ore. Tuttavia, la tensione sulle fasi non interessate dal guasto aumenta rispetto a terra, costituendo una minaccia per l'isolamento. Pertanto, le linee con un guasto a terra preesistente devono essere identificate e affrontate rapidamente.

I. Identificazione dei Guasti Monofase a Terra sulle Barre Ausiliarie 35kV

Quando si verificano guasti monofase a terra, ferroresonanza, perdita di fase o fusibili ad alta tensione dei trasformatori di tensione (VT) saltati, i fenomeni osservati possono essere simili, ma un'analisi attenta rivela differenze distinte.

• Guasto Monofase a Terra:
  La sottostazione e il sistema SCADA emettono segnali come "terra sulla barra 35kV" o "attivato il bobina di compensazione n. X". La protezione relè non scatta ma genera segnali di allarme. La tensione della fase in guasto diminuisce, mentre le tensioni delle altre due fasi aumentano. L'indicatore luminoso del VT per la fase in guasto si attenua, mentre gli altri due si intensificano. In un guasto a terra solido (metallico), la tensione della fase in guasto scende a zero, e le tensioni delle altre due fasi a terra aumentano di √3 volte, mentre le tensioni lineari rimangono invariate. L'uscita 3V₀ del VT legge circa 100V, e si illumina la luce di soppressione degli armonici. La bobina di compensazione porta corrente, uguale alla corrente di compensazione corrispondente alla sua posizione di regolazione. Se è installato un selettore di linea a piccola corrente, si attiverà e identificherà la linea in guasto. Se il guasto è all'interno della sottostazione, segni fisici come archi visibili, fumo e rumori elettrici forti rendono più facile identificare il punto del guasto.

• Ferroresonanza:
  Si genera una tensione di spostamento del punto neutro, alterando le tensioni delle tre fasi. Tipicamente, la tensione di una fase aumenta mentre le altre due diminuiscono, o viceversa, e le tensioni lineari cambiano di conseguenza. Poiché la tensione neutrale non è zero, scorre corrente attraverso la bobina di compensazione, e possono apparire segnali di "terra sulla barra" a seconda della magnitudine della tensione di spostamento.

• Perdita di Fase:
  La tensione sul lato montante della fase persa aumenta a 1,5 volte la tensione normale, mentre la tensione sul lato valle scende a zero. La corrente nella fase in guasto diventa zero, e le tensioni delle altre due fasi diminuiscono leggermente. Le tensioni lineari rimangono invariate. 3V₀ legge circa 50V, la bobina di compensazione porta corrente, e viene emesso un segnale di terra. Gli utenti potrebbero segnalare interruzioni di energia.

• Fusibile ad Alta Tensione del VT Saltato:
  La tensione della fase saltata diminuisce significativamente (tipicamente sotto la metà della tensione normale di fase), mentre le tensioni delle altre fasi non aumentano. Le tensioni lineari diventano squilibrate. Tutte le linee in uscita sulla barra attivano un allarme di "circuito di tensione aperto". 3V₀ legge circa 33V, e viene emesso un segnale di terra.

Anche se queste quattro condizioni—guasto monofase a terra, ferroresonanza, perdita di fase e fusibile del VT saltato—presentano sintomi simili, un'analisi approfondita delle tensioni di fase, delle tensioni lineari, di 3V₀, della corrente della bobina di compensazione, dei segnali di automazione SCADA e dei rapporti degli operatori in sala controllo può distinguere accuratamente un guasto monofase a terra.

II. Procedura di Gestione dei Guasti Monofase a Terra sulle Barre Ausiliarie 35kV

Quando si verifica un guasto di terra su una linea 35kV, la barra 35kV della sottostazione Wan’an emette un allarme di terra. Il personale presso la stazione centrale di controllo deve essere notificato immediatamente per ispezionare l'equipaggiamento in stazione e lo stato delle protezioni (inclusi la tensione 3V₀, lo stato del selettore di linea a piccola corrente, la temperatura/corrente della bobina di compensazione, ecc.), e deve essere inviata una squadra di manutenzione per la ricognizione della linea. Dopo aver ricevuto conferma dalla stazione centrale di un guasto a terra, si dovrebbe eseguire un tentativo di commutazione (provare a spegnere) delle linee. Prima del tentativo di commutazione, devono essere notificati gli utenti critici. 

Per i sistemi privi di dispositivi di prova di commutazione, è possibile eseguire un trip via SCADA, ma prima devono essere trasferiti i carichi nelle sottostazioni a valle. Nei sistemi con connessioni interne a ponte, gli interruttori automatici di trasferimento (ATS) devono essere disabilitati per impedire loro di trasferire il guasto a sezioni sane.Una volta identificata una linea specifica come in guasto, si dovrebbe dare priorità al trasferimento del suo carico prima di mettere fuori servizio la linea difettosa. La squadra di manutenzione e il personale della stazione centrale dovrebbero poi essere notificati per ricognere la linea 35kV e ispezionare l'equipaggiamento 35kV all'interno della sottostazione associata 35kV. 

Per prevenire che il guasto si trasformi in un cortocircuito tra fasi—che potrebbe causare interruzioni improvvise—l'equipaggiamento difettoso deve essere localizzato e isolato rapidamente. Inoltre, per prevenire il surriscaldamento e il danno alla bobina di compensazione, l'equipaggiamento difettoso dovrebbe essere isolato generalmente entro 2 ore. Si dovrebbe monitorare l'aumento di temperatura della bobina e mantenerlo al di sotto di 55°C. Se superato, l'operazione monofase a terra deve essere interrotta immediatamente, e l'equipaggiamento difettoso disconnesso. Se la condizione di terra persiste oltre 2 ore, la situazione deve essere segnalata alla direzione superiore.

III. Conclusione

Quando si verifica un guasto monofase a terra su una linea di distribuzione, la magnitudine e la fase della tensione della linea rimangono invariate, permettendo un'operazione a breve termine senza disconnettere l'equipaggiamento difettoso. Anche se ciò migliora l'affidabilità della fornitura, la tensione sulle due fasi sane aumenta ai livelli tra fasi, aumentando il rischio di rottura dell'isolamento e di cortocircuiti successivi a due fasi a terra. Questo comporta rischi significativi per l'operazione sicura ed economica dell'equipaggiamento della sottostazione e della rete di distribuzione. Pertanto, tali guasti dovrebbero essere prevenuti quando possibile, e una volta verificatisi, il punto del guasto deve essere localizzato e eliminato rapidamente per migliorare l'affidabilità complessiva della fornitura di energia.