Basamenti di protezione a relè: Tipi di guasti nelle linee di trasmissione e schemi di protezione fondamentali

1. Tipi di guasti sulle linee elettriche

Guasti tra fasi:

• Cortocircuito trifase

• Cortocircuito bifase

Guasti a terra:

• Guasto monofase a terra

• Guasto bifase a terra

• Guasto trifase a terra

2. Definizione dei dispositivi di protezione a relè
Quando si verifica un'anomalia o un guasto in un componente del sistema elettrico, i dispositivi di protezione a relè sono quelli che possono isolare rapidamente e selettivamente il componente difettoso o anomalo dal sistema, assicurando il normale funzionamento continuativo delle attrezzature sane rimanenti.

Esempi includono: protezione contro sovracorrente, protezione a distanza, protezione a sequenza zero e protezione ad alta frequenza.

• Protezione principale: Protezione che soddisfa i requisiti fondamentali per la stabilità del sistema e la sicurezza delle attrezzature durante un guasto a cortocircuito. Agisce per primo per aprire l'interruttore e selezionare i guasti sull'attrezzatura protetta o sulla linea intera.

• Protezione di riserva: Protezione che rimuove il guasto se la protezione principale o l'interruttore non agiscono.

• Protezione ausiliaria: Protezione semplice aggiunta per compensare le limitazioni della protezione principale e di riserva.

3. Ruolo della protezione a relè nelle linee di trasmissione
Durante l'operazione, le linee di trasmissione possono subire guasti a causa di forti venti, ghiaccio e neve, colpi di fulmine, danni esterni, fallimento dell'isolamento o flashover da inquinamento. In tali casi, il dispositivo di protezione a relè può agire rapidamente e selettivamente, aprendo l'interruttore della linea (interruttore).

Se il guasto è transitorio, l'interruttore riesce a ricchiudere con successo dopo la scomparsa del guasto, ripristinando l'approvvigionamento di energia sicuro. Se il guasto è permanente, il ricchiudimento fallisce e la linea difettosa viene isolata rapidamente, garantendo l'approvvigionamento di energia ininterrotto alle linee sane.

4. Dispositivi di protezione contro sovracorrente
I dispositivi di protezione contro sovracorrente sono progettati in base all'aumento significativo della corrente durante un guasto alla linea. Quando la corrente di guasto raggiunge l'impostazione di protezione (corrente di rilevamento), il dispositivo inizia a operare. Una volta raggiunto l'intervallo di ritardo impostato, l'interruttore della linea si apre.

I tipi comuni includono:

• Protezione istantanea contro sovracorrente: Semplice, affidabile e rapida, ma protegge solo una porzione (tipicamente l'80-85%) della stessa linea.

• Protezione contro sovracorrente a ritardo temporizzato: Opera con un breve intervallo di ritardo, proteggendo l'intera lunghezza della linea e coordinandosi con la protezione istantanea della linea successiva in downstream.

• Protezione contro sovracorrente: Impostata per evitare la corrente massima di carico. Protegge l'intera lunghezza della linea e l'intera lunghezza della linea successiva, agendo come protezione di riserva.

• Protezione direzionale contro sovracorrente: Aggiunge un elemento di direzione del flusso di potenza alla protezione contro sovracorrente. Opera solo quando il flusso di potenza del guasto va dalla barra alla linea, prevenendo malfunzionamenti durante guasti in direzione inversa.

5. Dispositivi di protezione a distanza
La protezione a distanza risponde all'impedenza (o distanza) tra il punto di guasto e il punto di installazione della protezione. Ha eccellenti caratteristiche direzionali ed è ampiamente utilizzata su reti anulari ad alta tensione. È comunemente impiegata la protezione a tre stadi:

• Zona I: Operazione istantanea, proteggendo l'80%-85% della lunghezza della linea.

• Zona II: Protegge l'intera lunghezza della linea e si estende in parte della linea successiva (tipicamente Zona I della linea adiacente).

• Zona III: Protegge l'intera lunghezza di questa linea e della linea successiva, agendo come protezione di riserva per le Zone I e II.

6. Dispositivi di protezione a corrente di sequenza zero
Nel sistema a neutro diretto a terra (noto anche come sistema a corrente di guasto a terra elevata), un guasto monofase a terra produce una corrente di sequenza zero significativa. I dispositivi di protezione che utilizzano questa corrente sono chiamati dispositivi di protezione a corrente di sequenza zero. È comunemente utilizzata una configurazione a tre stadi:

• Stadio I: Protezione istantanea a corrente di sequenza zero, coprendo il 70%-80% della lunghezza della linea.

• Stadio II: Protezione a corrente di sequenza zero a ritardo temporizzato, coprendo l'intera lunghezza della linea e parte della linea successiva.

• Stadio III: Protezione a sovracorrente di sequenza zero, coprendo l'intera linea e agendo come protezione di riserva per la linea successiva.

7. Dispositivi di protezione ad alta frequenza
La protezione ad alta frequenza converte l'angolo di fase (o direzione del flusso di potenza) delle correnti alle due estremità di una linea in segnali ad alta frequenza, che vengono trasmessi tramite un canale ad alta frequenza all'estremità opposta. Il sistema confronta l'angolo di fase o la direzione del flusso di potenza alle due estremità.

Questa protezione risponde solo ai guasti all'interno della sezione di linea protetta e non richiede coordinazione con le linee downstream. Opera senza ritardo temporizzato, consentendo la rapida eliminazione di qualsiasi guasto lungo la linea protetta.

In base ai principi di funzionamento, la protezione ad alta frequenza è classificata in:

• Tipo bloccante (confronto direzionale): Confronta la direzione del flusso di potenza alle due estremità.

• Tipo confronto di fase: Confronta gli angoli di fase della corrente alle due estremità.

8. Dispositivi di ricompattazione automatica
Un dispositivo di ricompattazione automatica è uno che ricompatta automaticamente l'interruttore dopo che esso si è aperto.

Funzione:

• Per guasti transitori, dopo la scomparsa del guasto, il dispositivo ricompatta rapidamente l'interruttore, ripristinando l'approvvigionamento di energia normale.

• Per guasti permanenti, la ricompattazione fallisce, l'interruttore si apre nuovamente e la linea difettosa viene isolata, garantendo l'approvvigionamento di energia continuativo alle linee sane.

9. Registratore di guasti in linea
Un dispositivo che registra automaticamente le forme d'onda di corrente e tensione prima e durante un guasto in linea, insieme al tempo e allo stato di operazione dell'interruttore.

Analizzando le forme d'onda registrate, è possibile determinare con precisione il tipo di guasto e calcolare la posizione approssimativa del guasto. Questo fornisce dati critici per l'analisi del guasto, la risoluzione dei problemi e il ripristino dell'approvvigionamento di energia normale.