Protezione delle Linee Aeree – Guasti e Dispositivi di Protezione
Faulti Comuni nelle Linee Aeree
Le cause più comuni di guasti nelle linee aeree includono:
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Dispositivi di Protezione per Linee Aeree
La protezione contro sovracorrenti graduata nel tempo è inefficace per le linee aeree di trasmissione ad alta tensione. Ciò è dovuto alla presenza di multiple fonti interconnesse di correnti di guasto, che possono essere limitate da limitatori di corrente di guasto. I requisiti principali per i sistemi di protezione nelle linee aeree di trasmissione ad alta tensione sono i seguenti:
Per soddisfare questi requisiti, i seguenti dispositivi di protezione sono comunemente utilizzati nelle linee aeree ad alta tensione:
La protezione differenziale viene tipicamente applicata a linee aeree corte, mentre la protezione a distanza è più adatta a linee aeree lunghe. La classificazione delle linee aeree come corte o lunghe si basa sul confronto dell'induttanza, resistenza e capacità della linea. Una linea è considerata corta quando la sua resistenza e capacità sono trascurabili rispetto all'induttanza. Questa valutazione viene spesso effettuata utilizzando il diagramma π della linea aerea.
Diversi fattori influenzano l'impedenza della linea, la sua risposta fisica alle condizioni di cortocircuito e la corrente di carica della linea. Questi includono il livello di tensione, la costruzione fisica della linea di trasmissione, il tipo e la dimensione dei conduttori e lo spazio tra i conduttori. Inoltre, il numero di terminali della linea influenza il flusso di corrente di carico e di guasto, che il sistema di protezione deve tenere in considerazione. Le linee parallele influiscono anche sul reinvio, poiché il colpo mutuo può influire sulla corrente di terra misurata dai relè di protezione. La presenza di trasformatori a derivazione o dispositivi di compensazione reattiva, come banchi di condensatori in serie o reattori shunt, influisce ulteriormente sulla scelta del sistema di protezione e sulle impostazioni dei dispositivi di protezione. Di conseguenza, uno studio dettagliato della linea aerea è necessario per determinare i relè di protezione più appropriati. Generalmente, una linea con una lunghezza fino a 80 - 100 km può essere considerata corta, sebbene ciò possa variare a seconda del livello di tensione e delle caratteristiche della rete.
Circa il 90% dei guasti sulle linee aeree è di natura transitoria. I guasti possono essere categorizzati come segue:
Per tali guasti, può essere richiesto un tripolo singolo, consentendo la ripristinazione immediata della linea dopo l'interruzione degli interruttori automatici. Di conseguenza, schemi di tripolo singolo e ricomposizione automatica sono comunemente utilizzati negli interruttori automatici associati alle linee aeree di trasmissione (solitamente con una tensione di 220 kV o superiore). Quando gli interruttori automatici interrompono la corrente di guasto, l'arco di flashover si estingue e l'aria ionizzata si dissipa. La ricomposizione automatica è solitamente riuscita dopo un ritardo di solo pochi cicli. Tuttavia, durante lavori sotto tensione, i dispositivi di ricomposizione automatica sulle linee in lavoro devono essere impostati in modalità non ricomposizione. Gli interruttori automatici utilizzati in queste applicazioni devono essere progettati specificamente per gestire queste operazioni e essere immuni all'inconsistenza dei poli fino a quando non viene emesso un ordine di trip definitivo.
Protezione Differenziale e di Confronto di Fase
La protezione differenziale si basa sulla legge della corrente di Kirchhoff. Nel contesto di una linea di trasmissione, funziona confrontando la corrente che entra nella linea in un terminale con quella che esce dalla linea nell'altro terminale. I relè differenziali di linea ai due estremi della linea di trasmissione scambiano dati sulla corrente della linea attraverso un collegamento di comunicazione a fibra ottica. Questo collegamento è spesso stabilito utilizzando il cavo Optical Power Ground Wire (OPGW), che viene anche utilizzato per la protezione contro i fulmini della linea aerea e contiene cavi a fibra ottica all'interno della sua struttura. La Figura 1 illustra il diagramma del sistema di protezione differenziale.
Figura 1 – Diagramma di Protezione Differenziale per Linee Aeree
Un altro sistema di reinvio protettivo per linee di trasmissione ad alta tensione, basato sul principio della protezione differenziale e ora impiegato anche per linee a lunga distanza, è la protezione di confronto di fase.
Questo sistema funziona confrontando l'angolo di fase tra le correnti ai due estremi della linea protetta. In caso di guasti esterni, la corrente che entra nella linea ha lo stesso angolo di fase relativo della corrente che esce dalla linea. Di conseguenza, i relè di confronto di fase in ogni terminale registrano poco o nessun differenziale di angolo di fase. Pertanto, il sistema di protezione rimane stabile e non si verifica alcun trip. Al contrario, in caso di guasto interno, la corrente fluisce nella linea da entrambi i lati, causando un dislivello di angolo di fase che i relè di confronto di fase possono rilevare. All'identificazione di questa differenza, i relè si attivano per isolare ed eliminare il guasto.
Negli schemi di confronto di fase, i relè di avvio svolgono un ruolo cruciale. Questi relè iniziano il processo di confronto di fase non appena viene rilevata una condizione di guasto. Il loro design assicura l'operatività sia per guasti interni che esterni, fornendo un monitoraggio completo.
Per il funzionamento efficace della protezione di confronto di fase, è indispensabile un canale di comunicazione affidabile. Nelle applicazioni moderne, i cavi a fibra ottica integrati nei cavi Optical Ground Wire (OPGW) sono diventati la scelta preferita per stabilire questo collegamento di comunicazione.
La Figura 2 mostra il diagramma monofila del sistema di bilanciamento di tensione Merz Price, utilizzato per la protezione delle linee trifase.
Protezione di Confronto di Fase e Protezione a Distanza
Protezione di Confronto di Fase
Figura 2 – Diagramma di Protezione di Confronto di Fase
Nella protezione di confronto di fase, trasformatori di corrente (TC) identici sono posizionati strategicamente in ogni fase ai due estremi della linea di trasmissione. Ogni coppia di TC, uno per ogni estremità della linea, è collegata in serie con un relè. In condizioni normali, senza guasti, le tensioni secondarie generate da questi TC sono uguali in ampiezza ma opposte in direzione, bilanciandosi reciprocamente.
Durante l'operazione del sistema in buone condizioni, la corrente che entra nella linea in un'estremità corrisponde esattamente a quella che esce dall'altra estremità. Di conseguenza, vengono indotte tensioni uguali e opposte nelle secondarie dei TC ai due terminali della linea. Questo equilibrio di tensione assicura che non ci sia corrente che fluisca attraverso i relè, mantenendo la stabilità del sistema di protezione.
Tuttavia, quando si verifica un guasto in un punto come F sulla linea, come illustrato nella Figura 2, la distribuzione della corrente viene interrotta. Specificamente, una corrente significativamente maggiore fluisce attraverso il TC1 rispetto al TC2. Questo dislivello di corrente causa tensioni secondarie nei TC che diventano disuguali. Di conseguenza, si stabilisce una corrente circolante che fluisce attraverso i fili pilota e i relè. In risposta a questo flusso di corrente, gli interruttori automatici alle due estremità della linea vengono attivati per aprirsi, isolando prontamente la linea difettosa dal resto del sistema elettrico.
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Protezione a Distanza
La protezione a distanza si basa su relè di distanza, che misurano l'impedenza di una linea di trasmissione analizzando i segnali di tensione e corrente applicati a essi. Quando si verifica un guasto su una linea, si verificano due cambiamenti significativi: la corrente aumenta a un livello molto più alto e la tensione diminuisce drasticamente.
Poiché l'impedenza di una linea di trasmissione è direttamente proporzionale alla sua lunghezza, i relè di distanza sono progettati per misurare l'impedenza fino a un punto predeterminato noto come "punto di raggiungimento". Questi relè, spesso chiamati relè di impedenza, calcolano l'impedenza utilizzando la legge di Ohm, espressa dalla formula Z = U/I, dove Z rappresenta l'impedenza, U è la tensione e I è la corrente.
I relè di distanza sono progettati per funzionare esclusivamente per i guasti che si verificano tra la posizione del relè e il punto di raggiungimento selezionato. Questa caratteristica di progettazione consente loro di distinguere efficacemente tra i guasti in diverse sezioni della linea. L'impedenza apparente calcolata dal relè viene quindi confrontata con l'impedenza del punto di raggiungimento preimpostata. Se l'impedenza misurata è inferiore all'impedenza del punto di raggiungimento, si deduce che esiste un guasto sulla linea tra il relè e il punto di raggiungimento. Quando l'impedenza calcolata cade all'interno della configurazione di raggiungimento del relè, il relè si attiva, avviando l'azione protettiva.
Per garantire una protezione completa, i sistemi di protezione a distanza sono installati alle due estremità della linea di trasmissione, e viene stabilito un collegamento di comunicazione tra questi endpoint, come illustrato nella Figura 3. Questo collegamento consente l'operazione coordinata dei relè in ciascuna estremità, migliorando l'efficacia complessiva dello schema di protezione.
Prestazioni e Caratteristiche dei Relè di Distanza
Figura 3 – Diagramma di Protezione a Distanza per Linee Aeree
Le prestazioni dei relè di distanza sono principalmente valutate in base a due parametri chiave: precisione del raggiungimento e tempo di funzionamento.
Precisione del Raggiungimento
La precisione del raggiungimento comporta il confronto tra l'effettivo raggiungimento ohmico di un relè di distanza in condizioni reali e pratiche e il suo valore ohmico preimpostato. Questo parametro è significativamente influenzato dalla tensione applicata al relè durante le condizioni di guasto. Una tensione più bassa o distorta può portare a inesattezze nella misura dell'impedenza, influendo sulla capacità del relè di identificare correttamente la posizione di un guasto all'interno del suo raggiungimento designato. Inoltre, le tecniche di misura dell'impedenza utilizzate in specifici progetti di relè svolgono un ruolo cruciale. Diversi algoritmi e configurazioni hardware possono produrre livelli diversi di precisione, influenzando così l'accuratezza complessiva del raggiungimento del relè.
Tempo di Funzionamento
Il tempo di funzionamento di un relè di distanza è una quantità variabile che dipende da più fattori. La magnitudine della corrente di guasto ha un effetto diretto; correnti di guasto più elevate possono talvolta causare un funzionamento più rapido, mentre correnti inferiori possono risultare in tempi di risposta più lunghi. La posizione del guasto rispetto alla configurazione del relè è altresì importante. I guasti più vicini alla sorgente o in una certa prossimità al relè potrebbero attivare una risposta più rapida rispetto a quelli più lontani. Inoltre, il punto sulla onda di tensione in cui si verifica il guasto può introdurre variabilità nel tempo di funzionamento.
Alcuni errori transitori dei segnali di misura, associati alle specifiche tecniche di misura utilizzate nel design di un relè, possono ulteriormente complicare la situazione. Ad esempio, gli errori generati da Trasformatori di Tensione a Capacità (CVT) o Trasformatori di Corrente (TC) saturanti possono significativamente ritardare il funzionamento del relè, specialmente per i guasti che si verificano vicino al punto di raggiungimento. Questi errori transitori possono distorcere i segnali di tensione e corrente, portando a una interpretazione errata dell'impedenza e a un conseguente ritardo nell'attivazione del relè.
Caratteristiche dei Relè di Distanza
Le caratteristiche dei relè di distanza, spesso note come forma di protezione, sono rappresentate graficamente come funzione della resistenza (R) e dell'impedenza (X) della linea su un diagramma R/X o di ammettenza. Due delle forme più tipiche sono la circolare (caratteristica mho) e la quadrilatera. Queste forme caratteristiche sono illustrate nelle Figure 10 e 11, rispettivamente. Ogni forma ha i suoi vantaggi ed è progettata per ottimizzare le prestazioni del relè in diverse condizioni del sistema elettrico, fornendo un mezzo affidabile per distinguere tra condizioni operative normali e guasti effettivi all'interno della sezione di linea protetta.
Figura 4 – Caratteristica mho
Caratteristiche, Impostazioni di Raggiungimento e Ricomposizione dei Relè di Distanza
Figura 5 – Caratteristica Quadrilatera
L'elemento di impedenza mho prende il nome dalla sua caratteristica apparenza su un diagramma di ammettenza, dove si manifesta come una linea retta. Tuttavia, le caratteristiche di impedenza poligonali, come la forma quadrilatera, hanno guadagnato una popolarità significativa. Queste caratteristiche offrono una flessibilità notevole nella copertura delle impedenze di guasto per guasti di fase e di terra. Questa versatilità le ha rese la scelta preferita per la maggior parte dei relè di distanza moderni.
I relè di distanza possono essere configurati con fino a cinque zone distinte, alcune delle quali sono impostate per misurare l'impedenza in senso inverso. Queste zone di misura inversa servono come protezione di backup per le barre di distribuzione. Ogni zona è associata a un tempo specifico di attivazione del relè, permettendo una risposta sfumata e coordinata ai guasti che si verificano in diverse posizioni all'interno della rete elettrica protetta.
Quando i relè di distanza sono installati alle due estremità di una linea di trasmissione, i loro tempi di risposta a un guasto variano a seconda della distanza del punto di guasto (F) da ciascuna estremità della linea. Ad esempio, consideriamo una linea aerea che collega le sottostazioni A e B. Il relè di distanza situato nella sottostazione più vicina al punto di guasto F rileverà il guasto per primo, e l'interruttore corrispondente si aprirà prima di quello nell'altra sottostazione.
Per impedire che un guasto di cortocircuito continui a ricevere energia dall'estremità opposta della linea fino a quando la protezione di distanza rilevante non si attiva, è essenziale un collegamento di comunicazione tra i relè di protezione. Tipicamente, questa comunicazione viene stabilita tramite cavi a fibra ottica integrati nei cavi Optical Ground Wire (OPGW). Questa configurazione consente l'apertura simultanea di entrambi gli interruttori, assicurando un'isolazione rapida ed efficace della sezione difettosa.
Non è pratico programmare un relè di impedenza per misurare con precisione l'impedenza della linea fino all'interruttore all'estremità remota. Questo è dovuto agli errori e alle imprecisioni intrinseche nei componenti come i trasformatori di corrente (TC), i trasformatori di tensione (VT), i relè stessi, nonché nei calcoli dell'impedenza della linea. Per tener conto di queste incertezze, il raggiungimento del relè è impostato per misurare un valore di impedenza inferiore all'impedenza totale corrispondente alla lunghezza completa della linea. Ad esempio, impostare la Zona 1 per coprire fino all'85% dell'impedenza della linea è una pratica comune e sicura. Il restante 15 - 20% serve come margine di sicurezza, evitando efficacemente che la protezione della Zona 1 superi la linea protetta a causa di errori e imprecisioni di misura. Senza questo margine, ci sarebbe il rischio di perdere la capacità di discriminare tra guasti su sezioni di linea adiacenti, soprattutto quando si trattano schemi di protezione ad azione rapida.
Una calibrazione accurata delle impostazioni di raggiungimento e dei tempi di apertura per ciascuna zona di misura è cruciale per ottenere una corretta coordinazione tra i relè di distanza in tutto il sistema elettrico. Questa regolazione meticolosa assicura che i guasti vengano eliminati nella sequenza corretta, minimizzando le interruzioni e mantenendo la stabilità della rete elettrica.
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Ricomposizione
Come discusso nella Sezione 4.2, la maggior parte dei guasti sulle linee aeree è asimmetrica e transitoria. La ricomposizione automatica, una funzionalità critica nei sistemi elettrici, viene eseguita da un relè di ricomposizione automatica. Questo relè viene attivato dai dispositivi di protezione della linea aerea, come illustrato nella Figura 6.
