Soluzione di Protezione per Linee Elettriche con Relè a Microprocessore per Reti di Distribuzione Smart Moderne

1. Introduzione e principali sfide​
   L'integrazione crescente di risorse energetiche distribuite (DER) (come energia solare e eolica) nelle reti di distribuzione, unita alle crescenti esigenze degli utenti in termini di affidabilità e sicurezza dell'energia, pone severe sfide agli schemi di protezione tradizionali dei rami. Questa soluzione è progettata per affrontare le seguenti tre sfide principali:

• ​Rischi da arco elettrico:​​ I cortocircuiti interni negli apparecchi come i quadri elettrici possono scatenare archi elettrici altamente distruttivi, minacciando la sicurezza degli apparecchi e del personale, richiedendo una risposta estremamente rapida dal sistema di protezione.
• ​Fallos a terra ad alta impedenza:​​ In particolare, i fallos a terra monofase che si verificano in aree rurali o regioni con elevata resistività del terreno, caratterizzati da corrente di fallo bassa, sono difficili da rilevare in modo affidabile con le protezioni tradizionali di sovracorrente zero sequenza, ponendo il rischio di mancato funzionamento della protezione.
• ​Impatto dell'integrazione delle DER:​​ L'integrazione delle DER altera la direzione del flusso di potenza e le caratteristiche della corrente di cortocircuito nelle reti di distribuzione, potenzialmente causando un malfunzionamento della protezione (falso trip) o un mancato funzionamento, e introducendo il rischio di isolamento involontario.

Questa soluzione, basata su relè di protezione a microprocessore avanzati e integrando diversi algoritmi innovativi, fornisce una protezione completa, rapida e affidabile per i rami delle moderne reti di distribuzione.

​2. Dettagli della soluzione​
Il nostro relè di protezione dei rami adotta un design modulare, integrando le seguenti funzioni di protezione principali per affrontare le sfide menzionate.

​2.1 Modulo di protezione multi-banda contro gli archi elettrici (AFP)​

• ​Principio tecnico:​​ Utilizza una tecnologia di rilevamento multi-banda proprietaria, monitorando simultaneamente l'intensità luminosa (tramite sensori dedicati di luce d'arco) e il tasso di variazione della corrente (di/dt). Un fallo viene confermato come arco elettrico solo quando entrambe le condizioni - "segnale luminoso intenso di arco" E "caratteristica di sovracorrente ad alta velocità (>10 kA/ms)" - sono soddisfatte (operazione logica AND). Questo doppio criterio prevenisce efficacemente il malfunzionamento causato da fonti luminose esterne o sovracorrenti di commutazione.
• ​Vantaggio di prestazioni:​​ Presenta tempi di azionamento ultra-veloci, progettati per minimizzare l'energia dell'arco elettrico.
• ​Caso di applicazione:​​ Dopo l'installazione nel sistema di distribuzione a media tensione di un grande data center, questo modulo ha raggiunto un tempo totale di sgancio del fallo inferiore a 4 millisecondi, rappresentando un aumento di velocità di oltre tre volte rispetto agli schemi di protezione tradizionali basati solo sulla corrente, riducendo significativamente il rischio di danni agli apparecchi.

​2.2 Modulo di protezione contro i fallos a terra a bassa corrente ad alta sensibilità​

• ​Principio tecnico:​​ Utilizza il metodo dell'ammittanza zero sequenza. Questo metodo prevede la misurazione in tempo reale e precisa della tensione zero sequenza del sistema (3U₀) e della corrente zero sequenza (3I₀), calcolando il valore di ammittanza corrispondente. Questo algoritmo è relativamente insensibile alle variazioni della corrente di fallo a terra capacitiva del sistema, distinguendo efficacemente tra la corrente capacitiva normale e la corrente resistiva indotta dal fallo, identificando con precisione i fallos a terra ad alta impedenza con valori di resistenza fino a 1 kΩ o superiori.
• ​Vantaggio di prestazioni:​​ Risolve il problema di sensibilità insufficiente degli schemi di protezione tradizionali durante i fallos attraverso alte resistenze di transizione, riducendo notevolmente i rischi di shock elettrico e incendio.
• ​Caso di applicazione:​​ In un progetto pilota all'interno di una rete rurale (caratterizzata da alta corrente di fallo a terra capacitiva e livelli di isolamento delle linee irregolari), l'applicazione di questa tecnologia ha aumentato il tasso complessivo di rilevamento dei fallos a terra dal 65% con gli schemi tradizionali al 92%, migliorando significativamente la sicurezza dell'approvvigionamento di energia.

​2.3 Modulo di protezione anti-isolamento adattativo​

• ​Principio tecnico:​​ Per affrontare il rischio di isolamento introdotto dall'integrazione delle DER, questo modulo combina metodi di rilevamento passivi e attivi.
• ​Monitoraggio passivo:​​ Monitora continuamente parametri anomali al Punto di Comune Accoppiamento (PCC), come deviazioni di frequenza della tensione (Δf > 0.5 Hz) e salto di fase (Δφ > 10°).
• ​Determinazione attiva:​​ Quando gli indicatori di monitoraggio passivo superano le soglie impostate, incorpora metodi attivi come lo Spostamento Attivo della Frequenza per confermare rapidamente una condizione di isolamento.
• ​Vantaggio di prestazioni:​​ Garantisce lo sgancio rapido delle DER entro un intervallo di tempo molto breve (< 200 ms, in conformità con i requisiti del codice di rete) dopo l'isolamento, prevenendo pericoli per l'equipaggiamento e il personale di manutenzione da operazioni isolate non intenzionali.
• ​Caso di applicazione:​​ Validato in un progetto di microgriglia contenente diverse array fotovoltaiche, questo modulo anti-isolamento ha raggiunto un tasso di accuratezza del 99,7%. Previene efficacemente l'isolamento, minimizzando i falsi allarmi causati da disturbi normali della rete, migliorando così il tasso di utilizzo delle risorse energetiche distribuite.

​3. Riepilogo dei valori chiave​
Questa soluzione di protezione a microprocessore, integrando diversi algoritmi intelligenti, realizza:

• ​Sicurezza migliorata:​​ Massimizza la protezione del personale e degli apparecchi attraverso la protezione contro gli archi elettrici a livello millisecondi e la protezione contro i fallos a terra ad ultra-alta sensibilità.
• ​Alta affidabilità:​​ Affronta efficacemente le complessità introdotte dall'integrazione delle DER, identificando con precisione le condizioni di isolamento e i fallos ad alta impedenza, eliminando i "punti ciechi" della protezione.
• ​Ripristino rapido:​​ Consente un rapido sgancio dei fallos, facilitando l'autoguarigione rapida della rete, riducendo la durata degli interventi e migliorando l'affidabilità dell'approvvigionamento di energia.