Coordinamento dell’isolamento di una rete elettrica ... · tensione degli alternatori e dei...

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1 Villazzano (TN), 30 novembre 2012

Criteri per il coordinamentodegli isolamenti nelle reti MTdi distribuzione

Criteri per il coordinamentodegli isolamenti nelle reti MTdi distribuzione

Seminario tecnico

Relatore

Per. Ind. Gastone Guizzo

Uso: riservato

Coordinamento dell’isolamento di una rete elettrica (sistema elettrico)

E’ la scelta della tenuta dielettrica delleapparecchiature, in funzione delle tensioni e dellesovratensioni che si possono manifestare nel sistemaelettrico, tenendo conto dell’ambiente difunzionamento e dei dispositivi di protezione, al finedi ridurre ad un livello accettabile, dal punto di vistaeconomico, il tasso di guasto dei componenti e lacontinuità del servizio (criterio di prestazione,CEI EN60071-1).

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Origine e classificazione delle sollecitazioni di tensione

La Norma IEC 71-1 classifica le sollecitazioni di tensione in relazionealla loro durata e forma in:

Tensione permanente a frequenza industriale: tensione alla frequenza del sistema, avente un valore efficace costante, applicata

in permanenza ai componenti di un sistema elettrico;

Sovratensioni temporanee: dovute a guasti a terra, perdita di

carico, risonanza e ferrorisonanza;

Sovratensioni a fronte lento: dovute a guasti a terra, chiusura/richiusura di una linea, interruzioni di correnti capacitive o induttive, archi intermittenti a terra, interruzioni di guasti mediante

fusibili;

Uso: riservato


La Norma IEC 71-1 classifica le sollecitazioni di tensione in relazionealla loro durata e forma in:

Tensione permanente a frequenza industriale: tensione allafrequenza del sistema, avente un valore efficace costante, applicata

in permanenza ai componenti di un sistema elettrico;

Sovratensioni temporanee: dovute a guasti a terra, perdita di

carico, risonanza e ferrorisonanza;

Sovratensioni a fronte lento: dovute a guasti a terra,chiusura/richiusura di una linea, interruzioni di correnti capacitive oinduttive, archi intermittenti a terra, interruzioni di guasti mediante

fusibili;

segue

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Sovratensioni a fronte veloce: dovute a scariche di origineatmosferica, manovre di connessione/sconnessione di brevicollegamenti all’interno di sottostazioni, scariche su isolamento

esterno;

Sovratensioni a fronte molto veloce: dovute a guasti,

manovre nelle sottostazioni isolate in gas (GIS);

Sovratensioni combinate: dovute ad un insieme delle causesopra riportate.Esse si producono tra le fasi di un sistema elettrico dialimentazione (sovratensione tra fasi), o sulla stessa fase, tra dueparti separate di un sistema di alimentazione (sovratensione

longitudinale).

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Sovratensioni temporanee: sovratensioni a frequenzaindustriale di durata relativamente lunga (generalmente ‹ 1minuto).La forma non è smorzata, in certi casi la sua frequenza può essereinferiore o superiore alla frequenza industriale.

Guasti a terra: causa cedimento isolamento per cause interne o esterne.

- durata: ≤ 1 s per reti a neutro isolato;: ≤ 10 sec per reti a neutro compensato;: qualche ora per sistemi con reti a neutro isolato,

senza eliminazione del primo guasto a terra.

- ampiezza massima sovratensione: 1,8 p.u.

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Perdita di carico: dipendono dal carico disconnesso, dalle caratteristiche del sistema di alimentazione (potenza di cortocircuito delle sbarre, regolazione della velocità e della tensione degli alternatori e dei trasformatori AT/MT, ecc.).

L’ampiezza/durata delle sovratensioni fase-terra e fase-fase sono: sistemi estesi: 1,5 p.u. per qualche secondo;

: sistemi di media estensione: 1,2 p.u. per qualche minuto;

: distacco di trasformatori di generatori: 1,5 p.u. fino a 2,5 p.u. per qualche secondo.

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Risonanza: sovratensioni che si manifestano quando vengono energizzati sistemi con elevata capacità ed induttanza (linee lunghe), o tra sistemi.

Tali sovratensioni possono raggiungere valori estremamente elevati, generalmente però si può ritenere un valore pari a 1,5 p.u..

Le azioni per evitare tale fenomeno sono:

• modificare la frequenza di risonanza del sistema;

• con inserimento di opportune resistenze di smorzamento;

• installazione di scaricatori.

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Ferrorisonanza: sovratensioni sostenute fase-terra, caratterizzateda una forte distorsione armonica e/o subarmonica, che si manifesta inpresenza di una induttanza saturabile (TV collegati fase-terra) e dilinee corte, alla messa in tensione della linea.Ampiezza sovratensione: 2,4-3 p.u.Soluzione: installazione resistenza su triangolo aperto TV.Tale fenomeno comporta sovraeccitazione dei TV con conseguentesuriscaldamento dei nuclei che può portare all’esplosione in qualchedecina di minuti.

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Guasti a terra (CEI EN 60071-2,rete a 20 kV):

- manifestazione del guasto: :45 kVcr (2,8 p.u.);

- eliminazione del guasto: .:34 kVcr (2,1 p.u.)

k: fattore di guasto a terra (1,8);Us: tensione più elevata del sistema (es. 21 kV)

Sovratensioni a fronte lento: sovratensioni di natura oscillatoriae di durata del fronte uguale a quella della coda (tra qualchedecina a qualche migliaia di µs).

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Archi intermittenti a terra: simanifestano a seguito arco a terra (peres. guasti su giunti dei cavi MT); talearco si spegne momentaneamente adogni passaggio della corrente per lo zero.Il riadescamento si manifesta quando latensione riassume un valore elevato. Talifenomeni provocano la scarica e laricarica delle capacità verso terra, sottoforma di onde vaganti lungo la linea.Le sovratensioni possono raggiungervalori di 3-5 p.u. tra fase-terra e fase-fase.

(*)

(*): M. De Bernardi, G. Mazza, G. Guizzo, C. Malaguti “La selezione dei guasti a terra nelle reti MT a neutro isolato con l’impiego di una nuova protezione “ Riunione annuale AEI-Roma, 1995

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Chiusura/richiusura di linee: le sovratensioni dipendonoprincipalmente da:- tipo di interruttore- potenza di cortocircuito delle sbarre- lunghezza della linea ed in particolare se l’estremità è aperta,

collegata ad un trasformatore, sono installati scaricatori disovratensione.

Ampiezza sovratensioni: 2,6 p.u. fase-terra, 3,6 p.u. fase-fase.Durante la richiusura di una linea si possono manifestaresovratensioni maggiori, conseguenti alle cariche residue. Lapresenza di trasformatori e di TV connessi annullerebbero talicariche residue.

Intervento fusibili: sovratensioni fase-terra all’interruzione paria circa 3,6 p.u.

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Apertura di carichi capacitivi: l’apertura di carichicapacitivi o di linee a vuoto, può determinare dellesovratensioni fase-terra pari a 1,4 p.u., nel caso diriadescamenti tale ampiezza può essere di circa 3 p.u., mentretra le fasi l’ampiezza è di circa 4,2 p.u..

Apertura di carichi induttivi: alla disinserzione diun’induttanza (trasformatori a vuoto, motori, forni ad arco),nel caso di interruzione della corrente al passaggio per lozero, non si manifestano sovratensioni nella rete a valle,viceversa nel caso di “strappamento” della corrente, lasovratensione fase-terra è di circa 3 p.u..

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Esempio di sovratensioni combinate

2,1 p.u.

1,6 p.u.

Evento monofase a terra di tipo risolutivo

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Fulminazione diretta su conduttori

Sovratensioni a fronte veloce: sovratensioni transitoria di tipoimpulsivo, avente elevata ripidità del fronte d’onda e si distinguono in:

- sovratensioni per fulminazione diretta dei conduttori di fase

- sovratensioni dovute a scarica inversa dell’isolamento in seguito afulminazioni sui sostegni o sulla fune di guardia

- sovratensioni indotte da scariche al suolo nelle immediate vicinanzedella linea.

et: sovratensione fase-terra

Ze: impedenza caratteristica linea aerea: 500 Ω

i(t): corrente di fulmine: 34 kAcr

(*)

(*): M. Marzinotto Tesi su “Coordinamento dell’isolamento delle linee in cavo a dielettrico estruso”, 2002-2005

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Fulminazione diretta su sostegno

R: resistenza di messa a terra del sostegno

i(t): corrente di fulmineL: induttanza equivalente del palo

(*)


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Fulminazione indiretta (indotta)

U: sovratensione indotta sulla linea

I: corrente di picco della corrente di fulmine (35 kVcr)h: altezza della linea dal terrenod: distanza della linea dal punto di impatto del fulmineKv: fattore che tiene conto della velocità di propagazione della corrente nel canale (1,1-1,3)

(*)


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Sovratensioni di origine atmosferica

Attività ceraunica in TAA: valori medidi fulmini a terra per anno e km2 -Norma CEI 81-3

Numero di scariche a terra per anno su100 km di linea aerea, causate dafulminazioni indirette (Ni) e dirette (Nd)per linea posta in pianura

Ng/1

00 k

m a

nno

Ne scariche totali=(27+4,5)x2,5=79 N/100km anno,considerando come Ng= 2,5 fulmini/km2 anno.Le fulminazioni dirette sono pari al 14,2% del totale.

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Guasti causati da sovratensioni di origine atmosferica

Trasformatore MT/BTQuadro MT

Trasformatore AT/MT

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Riepilogo ampiezza delle sovratensioni in relazione alla loro tipologia

Fase-Terra Fase-Fase

Guasto monofase a terra 1,8

Fenomeni di ferrorisonanza 3,0

Apertura carichi capacitivi con riadescamento 3-3,2 4,2-4,5

Chiusura e richiusura di linee a vuoto 2,5-2,6 3,5-3,6

Arco intermiitente a terra 3,2-3,4 3,2-3,4

Apertura trasformatori a vuoto 3

Intervento fusibili MT 3,6

Fulminazioni dirette

Fulminazioni indirette

fronte lento

valori molto elevati

~250-300 (kVcr)fonte veloce

Sovratensioni in p.u di Us×√2/√3

Temporanee

Tipologia

sovratensioneCausa

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Forme delle sovratensioni e tipo normalizzato-CEI EN 60071-1

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Procedura per il coordinamento d’isolamento

Procedura per la determinazione del livello di isolamento normalizzatodei componenti d’impianto

Analisi di sistema

- Tensioni e sovratensioni- Livello protezione scaricatori (Upl o Ups)- Criterio di prestazione

Individuazione tensione esovratensione rappresentativa (Urp)

Tensione di tenuta di coordinamento (Ucw)

Tensione di tenuta specificata: Urw=1,15 Ucw

Scelta delle tensioni di tenuta nominale-normalizzate (Uw)

Livello di isolamento normalizzatecomponenti d’impianto

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Livello di isolamento normalizzati

Livelli di isolamento normalizzati deglielementi di sistemi serie I (1 kV‹Um≤245 kV)-CEI EN 60071-1 e CEI EN 61936-1

breve

durata a f.i.

(kV)

impulsi

origine atm.

(kVcr)

3 3,6 1020

40

6 7,2 2040

60

10 12 28 (32)*

60

75 (85)*

95

15 17,5 38 (45)*75

95 (110)*

20 24 50 (60)*

95

125 (145)*

145

30 36 70145

170

Tensione di tenuta

normalizzataTensione

nominale

sistema

(kV)

Tensione

massima

componente

(Um) (kV)

*: tra i contatti aperti dei sezionatori

10 64

15 81

20 106

Tensione

nominale

sistema

(kV)

Tensione

tenuta verso

terra impulso

di manovra

(kVcr)

Tensioni di tenuta ad impulso dimanovra (0,85xtensione di tenutaimpulsi atmosferici).

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Livello di isolamento e di scarica degli isolatori di linee in conduttori nudi

Tensione di tenuta degli isolatori per linee inconduttori nudi. Tensione nominale 20 kV

Tensioni di scarica ad impulso atmosfericoisolatori per linee in conduttori nudi.Tensione nominale 20 kV

f.i. sotto

pioggia

(kV)

impulso

atmosferico

(kVcr)

RP3 50 125

RP4 70 170

RP5 70 170

U40 75 170

U40AS 85 200

U40ASL 100 230

Armamento

tipo

Isolatore

tipo

Tensione di tenuta

rigido

sospeso

positiva

(kVcr)

negativa

(kVcr)

RP3 154 181

RP4 177 208

RP5 177 208

U40 255 255

U40AS 274 267

Armamento

tipo

Isolatore

tipo

Tensione scarica 50%

onda 1,2/50 µs con

polarità:

rigido

sospeso

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Principali caratteristiche da considerareper la scelta dei dispositivi contro lesovratensioni

1. Tensione di servizio continuativo

2. Tensione nominale

3. Corrente d scarica nominale

4. Tensioni residue alla corrente di scarica nominale, alla correnteimpulso di manovra e alla corrente a fronte ripido

In presenza di dispositivi: scaricatore piu’ corno spinterometrico(DSC), occorre considerare anche:

5. Tensione di sicuro innesco a 1,2/50 µs

6. Tensioni di sicuro ad innesco ad impulso di manovra

7. tensione di sicuro innesco sul fronte 1 µs

Inoltre occorre considerare:

a. Classe di scarica della linea

b. Classe del dispositivo contro le esplosioni

c. caratteristiche di tenuta alla contaminazione

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Procedura generale per la scelta degli scaricatori

Dati impianto Caratteristiche scaricatori

Tensione di esercizio massima (Us) Tensione di servizio continuativo (1,05xUs)

Sovratensioni temporanee Tensione nominale

Corrente di fulmine, energia di scarica Corrente di scarica nominale (5 kA-10 kA), classe di scarica

Corrente di guasto Classe del dispositivo contro le esplosioni

Individuazione scaricatore

Livello protezione impulso atm. (UPL)

Livello protezione impulso manovra (UPS)

Tensione coord. tenuta impulso atm. app. (Ucw)

Tensione coord. tenuta impulso manovra app. (Ucw)

Livello nominale di isol. app. (Uw=1,15Ucw)

Sovratensione a fronte lento

Sovratensione atm. entranteLunghezza collegamenti

Non necessaria per tensioni >1 kV≤245kV

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Criteri di installazione dei dispositivi diprotezione contro le sovratensioni

Regola generale: i dispositivi di protezione devono essereinstallati il piu’ vicino possibile all’apparecchiatura da proteggere.

Esistono due alternative nell’applicazione dei dispositivi per laprotezione contro le sovratensioni:

a. Determinare la tensione di tenuta di coordinamento ad impulsoatmosferico per un certo livello di protezione dello scaricatore eper una certa distanza di separazione. La tensione di tenutanominale ad impulso atmosferico è poi data moltiplicando ilvalore ottenuto per 1,15;

b. Determinare la zona protetta dallo scaricatore, che è la massimadistanza di separazione tra scaricatore ed apparecchiatura, percui sono soddisfatte le prescrizioni di coordinamentodell’isolamento.

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a. Determinazione della tensione nominale di tenuta delleapparecchiature (CEI EN 60099-5)

Dove:Urw: tensione di tenuta richiestaUPL: livello di protezione scaricatore ad impulso atmosferico80 kVcr

A: fattore che descrive il comportamento della linea aereaalla fulminazione, tab. 2, CEI EN 600-5: 900 kVcr

N: numero di linee collegate alla cabina: 2Lt: lunghezza di d+d1+d2+dA: 15 mLsp: lunghezza della campata: 100 mLf: sezione di linea con tasso di interruzione uguale al tassod guasto accettabile; per tasso di scarica della linea di4guasti/100km anno ed un tasso accettabile delleapparecchiature dello 0,25% anno: 62,5 m.

segue

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a. Determinazione della tensione nominale di tenuta delleapparecchiature (CEI EN 60099-5)

Nel caso invece Lt: lunghezza di d+d1+dA: 10 m

b. Determinazione della zona protetta dagli scaricatori (campo diprotezione) (CEI EN 60099-5)

Mantenendo gli stessi parametri del caso precedente, (Urw=125 kVcr), la lunghezza diprotezione è di 10,5 m (in generale per correnti di 5 kA-8/20 µs, la distanzamax tra scaricatore-dispositivo di protezione è di circa 10-15 m)

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Criteri di inserzione dei dispositivi diprotezione contro le sovratensioni

Raccordo aereo-cavo

Lunghezza cavo minore di 50 m

l

l

Lunghezza cavo maggiore di 50 m e minore della lunghezza di autoproduzione

segue

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Lunghezza di autoprotezione di alcune tipologie di cavi MT in relazione allecaratteristiche di isolamento delle linee aeree, secondo Norme CEI 11-17

Cavo interrato, U0/U 12/20 kV

linea aerea

isol. rigidi

linea aerea

isol. sospesi

3x1x50 765 2200

3x1x95 632 1819

3x1x120 581 1670

3x1x70 692 1990

3x1x120 581 1819

3x1x185 500 1440

Cavo tipo sez. (mm2)

Lunghezza autoprotezione (m)

RG7H1RX

ARG7H1RX

ARE4H1RX

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Cabina primaria Posto di trasformazione su palo

Cabina MT/BT alimentata da linee inconduttori nudi

Cabina MT/BT alimentata da linee inconduttori nudi ed in cavo

*: posizione apparecchio di protezione(1): per cabina con IMS normalmente chiuisi è presente un solo apparecchio

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Apparecchi di protezione contro le sovratensioni

Corna spinterometriche

Caratteristica d’intervento di uno spinterometro

segue

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AreaConsist.

PTP (n°)

Guasti

(n°)

Tasso

guasto (%)

Cabine

elevaz.

(n°)

Guasti

(n°)

Tasso guasto

(%)

Pordenone 1064 41 3,86 1461 15 1,00

Este 554 9 1,63 - - -

Treviso 668 9 1,35 1381 4 0,30

Totale 2286 59 2,6 2842 19 0,67

Potenza trasformatore ≤100 kVA Potenza trasformatore >100 kVA

AreaConsist.

PTP (n°)

Guasti

(n°)

Tasso

guasto (%)

Cabine

elevaz.

(n°)

Guasti

(n°)

Tasso guasto

(%)

Belluno 749 5 0,67 529 2 0,37

S. Donà 459 3 0,66 655 3 0,45

Totale 1208 8 0,66 2842 5 0,42

Potenza trasformatore ≤100 kVA Potenza trasformatore >100 kVA

Tasso di guasto annuo (1993) dei trasformatori MT/BT in funzione del tipodi protezione contro le sovratensioni; densità annua fulmini al suolo: 4

Protezione con scaricatori Sic

Protezione con corna spinterometriche

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Potere autoestinzione delle corna spinterometriche: probabilità d’interventodella protezione direzionale di terra per eventi monofasi, in funzione dellacorrente di guasto (Ig) e della distanza dalla cabina primaria

L. Bisiach, D. Cappellieri, G. Guizzo “La protezione della rete MT contro le sovratensioni“ L’Energia Elettrica, n. 12-1992

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Dispositivo spinterometro-scaricatore


Caratteristica d’intervento di uno spinterometro-scaricatore

M. Alfieri, G. Ferrari, G. Guizzo, C. Malaguti “Coordinaciòn del aislamiento en lineas MT“ Cired, Argentina-1996-1992

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Risultati di esercizio su linee 20 kV in funzione del tipo di protezionecontro le sovratensioni


G. Guizzo, C. Malaguti, M. Alfieri, Z. Lodi “Nuovo dispositivo di protezione contro le sovratensioni nelle reti di distribuzione a media tensione: caratteristiche costruttive e prestazioni funzionali“ Riunione annuale AEI, Roma-1995

INTERRUZIONI ACCIDENTALI Variaz.Protezione con corna Protezione con ICS o interr.

spinterometriche scaricatori (ove esistenti) di dur.

Estens.

Cabine ePTP Enel

protetti

Ig t ≤≤≤≤1" 1" <t≤≤≤≤3' t>3' t ≤≤≤≤1" 1" <t≤≤≤≤3' t>3' t≤≤≤≤1"

[km] [n°] [A] [n°] [n°] [n°] [n°] [n°] [n°] [%]

A 8 8 150 3/93÷2/94 4 2 2 3/94÷2/95 4 0 0 0

B 17 24 150 3/93÷2/94 33 11 4 3/94÷2/95 27 9 6 -18

C 17 6 150 6/93÷5/94 24 8 3 6/94÷5/95 26 6 1 8

D 29 34 150 6/93÷5/94 46 15 3 6/94÷5/95 29 18 6 -37

E 10 12 150 7/93÷6/94 7 3 4 7/94÷6/95 5 3 0 -29

F 15 16 194 3/93÷2/94 34 15 7 3/94÷2/95 12 7 2 -65

G 41 30 194 4/93÷3/94 59 19 4 4/94÷3/95 22 9 7 -63

H 39 44 110 6/93÷5/94 56 42 17 6/94÷5/95 46 50 21 -18

I 30 61 150 7/93÷6/94 26 3 1 7/94÷6/95 13 2 0 -50

J 24 52 330 9/93÷8/94 29 6 2 9/94÷8/95 10 6 0 -66

K 33 26 34 3/93÷2/94 31 4 5 3/94÷2/95 29 4 2 -6

L 36 40 70 7/93÷6/94 41 18 5 7/94÷6/95 28 23 6 -32

LineaMT

Periodo diosservaz.

Periodo diosservaz.

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Scaricatori a ossido di zinco


Comparazione caratteristiche funzionali dei diversi dispositivi di protezione, per una corrente di impulso (8/20 µs) di 5 kA

(*): G. Guizzo, C. Malaguti, M. Alfieri, Z. Lodi “Nuovo dispositivo di protezione contro le sovratensioni nelle reti di distribuzione a media tensione: caratteristiche costruttive e prestazioni funzionali“ Riunione annuale AEI, Roma-1995

(*)

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