Dossier tecnico n° 2/MT-BT -...

Prot ezione trasformator iper cabine MT/BT

Dossier tecnico n° 2/MT-BT

dossier tecnico n. 2/MT--BT

Schneider Electric SpA 20041 AGRATE (MI) (italia)Tel. (039) 6558111Tfax (039) 6056900www.schneiderelectric.it

MKT Division

Edizione LUGLIO ’05

dossier tecnico n. 2/MT--BT 1

1. Introduzione 5

1.1 Trasformatori MT/BT efilosofie di protezione 51.2 Tecnologia dei trasformatoried usi 6

2. Sollecitazioni in esercizio emodalità di guasto 9

2.1 Mettere in tensione e fuoritensione 92.2 Sovratensioni esterne 92.3 Sovraccarichi 112.4 Cortocircuiti sulla rete BT 122.5 Evoluzione di un guastointerno 122.6 Guasti correlati al tipo ditecnologia 15

3. Protezione dallesovratensioni 17

3.1 Generalità 173.2 Scaricatori e protezionespinterometrica 17

4. Protezione contro isovraccarichi 19

4.1 Protezione tramite misuradella corrente 194.2 Protezione tramite misuradella temperatura 20

5. Protezione con fusibile MTe combinato interruttore dimanovra sezionatore (IMS) --fusibile 21

5.1 Caratteristiche dei fusibili MT215.2 Limiti dei fusibili 225.3 Utilizzo di un combinatointerruttore--- fusibile 24

6. Protezione interruttori MT,dispositivi di interventoassociati 25

6.1 Criteri di scelta delle curve diintervento 256.2 Vantaggi della protezione diterra 276.3 Dispositivi di protezioneindipendente 276.4 Dispositivi di protezione conalimentazione ausiliaria 28

7. Conclusioni 31

Appendice 1 33

Appendice 2 35

Bibliografia 37

D o ssier Te cnico n. 2/MT-BT

Protezione trasformatoriper cabine MT/BT

2 dossier tecnico n. 2/MT--BT


I ”Quaderni tecnici” sono una raccolta didocumenti pensati per ingegneri e tecnicidell’industria, alla ricerca di informazioni piùapprofondite a completamento di quellefornite nelle guide, nei cataloghi e nelleistruzioni tecniche dei prodotti.

I ”Quaderni Tecnici” costituiscono unostrumento pratico di formazione.Essi contengono dati che permettono diprogettare e attivare apparecchiatureelettriche, elettronica industriale etrasmissione e distribuzione elettrica e dicomprendere i fenomeni che si riscontranonegli impianti, nei sistemi e nelleapparecchiature.

Ciascun ”Dossier Tecnico” fornisce unostudio approfondito di un argomentonell’ambito delle reti elettriche, delleprotezioni e dei sistemi di monitoraggio,controllo e automazione industriale.Le ultime pubblicazioni possono esserescaricate da Internet nel sito Schneiderhttp://www.schneider---electric.comsezione: mastering electricity

Per ulteriori ”Quaderni Tecnici” o per la listadei titoli disponibili, contattate il vostroagente Schneider.

La raccolta ”Quaderni Tecnici” fa parte della”Raccolta Tecnica” del gruppo Schneider.

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Premessa


note sull’autoreDidier FULCHIRON

Laureato in Ingegneria alla ”ScuolaSuperiore dell’Elettricità” nel 1980, è entratoin Merlin Gerin nel dipartimento tecnico nel1981 ai laboratori di prova di alta potenza.Attualmente alla Divisione Media Tensione,usa la propria nelle applicazioni didistribuzione pubblica per lavorare suvalutazioni, specifiche e norme.

glossario Corrente di scambio: valore della correnteche corrisponde all’intersezione dellecaratteristiche tempo---corrente di duedispositivi di protezione contro lesovracorrenti. (IFN 441---17---16).

Corrente di trasferimento: valore dellacorrente simmetrica trifase alla quale ifusibili e l’interruttore di manovra siscambiano la funzione di interruzione (in uncombinato interruttore---fusibile) (CEI 17---46).

GRPT: dispositivo utilizzabile in trasformatoria immersione ermeticamente sigillati conriempimento integrale che combinicaratteristiche di monitoraggio sviluppo digas, pressione etemperatura.

Onda tronca: parte di un’onda disovratensione, di solito generata da unafulminazione, che continua a propagarsidopo la scarica in aria (spinterometro ocedimento dell’isolatore). L’elevato gradientedella forma d’onda generata dalla scarica èmolto pericolosa per alcuneapparecchiature.

Contemporaneità: molteplicità di utenti cheutilizzano la rete in modo omogeneo (intermini di potenza prelevata e/o tempo dicollegamento alla rete). In mancanza dicontemporaneità, la rete può avere unapotenza massima nominale molto minoredella somma delle potenze massimenominali dei singoli utilizzatori.


1.1 Trasformatori MT/BTe filosofie di protezione

Perché esistono itrasformatori?

I trasformatori vengono inseriti nelle reti didistribuzione per i seguenti motivi:

H minimizzare le perdite di energiacausate dall’effetto Joule; ad esempio,aumentare la tensione di un fattore pari a 10riduce queste perdite di un fattore pari a100 (Perdite = R (Passorbita / U)

2),

H minimizzare le cadute di tensione (∆U ”R I cosφ + X I sinφ), sia resistiva (R) chereattiva (X) ad una data potenza trasmessa(U I cosφ) ,H assicurare la separazione galvanica trareti con stessa tensione (limiti di proprietà,cambiamenti del regime del neutro, ecc.).

Sebbene sia raro il caso in cui si interrompavolontariamente la distribuzione dell’energia,tuttavia ci sono normali condizioni operativeche richiedono la ”manovra” deitrasformatori, come, per esempio:

H riconfigurazione della rete,

H necessità di manutenzione e sicurezza,

H far fronte a picchi di consumo,

H avviare o arrestare un processo.

Queste operazioni possono essere eseguitesul trasformatore sia sotto carico che avuoto con influenza notevole sullecondizioni di servizio e sui conseguentifenomeni elettrici transitori.

I trasformatori di distribuzione sonocomponenti passivi molto affidabili, conun’aspettativa di vita di decine di anni. Unente elettrico pubblico norvegese ha diffusoun tasso di guasto dello 0,09 % (9 per10000), che includeva tutti i tipi di cause diguasto, per un parco di 5000 trasformatorimonitorato per quattro anni. Per reti in cavo,il tasso di guasto osservato resta comunquesotto lo 0,2 %; può aumentare allo 0,5 % inalcune reti aeree.

L’obsolescenza dei trasformatori ---l’evoluzione della potenza e dei livelli ditensione --- è la causa che spesso porta allaloro sostituzione. I guasti durante il serviziosono molto rari, ma la necessità di garantirela sicurezza per i beni e per le persone, cosìcome la continuità del servizio, imponetuttavia l’utilizzo di dispositivi di protezione.

Sollecitazioni suitrasformatori

I trasformatori sono sottoposti a moltesollecitazioni elettriche esterne, provenientisia da monte che da valle.

Le conseguenze di ogni guasto possonoessere pesanti, sia in termini di danno, chedi mancato funzionamento. I trasformatoridevono perciò essere protetti, da una parte,da attacchi di origine esterna e, dall’altra,isolati dalla rete in caso di guasto interno.

L’espressione ”Protezione Trasformatore” èspesso associata all’azione di scollegaredalla rete, anche se il trasformatore è giàguasto. La protezione è l’insieme di misurepreventive (sovratensioni, guasti a valle,sovraccarichi, temperatura) e misurecorrettive per isolare il trasformatore guasto.

Filosofie di protezione

Fanno parte della responsabilità delprogettista della rete elettrica la definizionedelle misure da applicare a ciascuntrasformatore, in funzione di criteri come lacontinuità e la qualità del servizio, il costodell’investimento, il funzionamento e lasicurezza dei beni e delle persone, comepure il livello di rischio accettabile.

Le soluzioni scelte sono sempre uncompromesso tra i vari criteri ed èimportante che punti forti e punti debolidella scelta fatta siano chiaramenteidentificati. Per esempio, uno stessoesercente può scegliere soluzioni moltodiverse per sezioni di reti urbane e rurali dalmomento che i criteri di potenza unitaria, dicosto e di conseguenze di incidenti nonsono gli stessi.

L’alto livello di affidabilità dei trasformatori èun fattore decisivo nella scelta operata dalleaziende di distribuzione, se confrontato conil costo unitario dei dispositivi di protezionead essi associati. Ciò significa, ad esempio,che invece di cercare di proteggere iltrasformatore, per salvare l’apparecchiatura,si cerchi di limitare le conseguenze di unguasto.

Questa situazione è illustrata da alcunescelte comunemente incontrate, benchénon sistematiche, come:

H ”protezione” mirata a impedire il rischiodi esplosione e proteggere la rete MT” pertrasformatori collegati alla rete didistribuzione pubblica;

H monitoraggio della temperatura neitrasformatori del settore industriale oterziario dove si può realizzare il distaccocarichi

H monitoraggio dei sovraccarichi per itrasformatori della distribuzione pubblica; lanon contemporaneità di più clienti rendepoco probabile un sovraccarico e, in più, ildistacco del carico è possibile solo in casodi incidente. Se il trasformatore alimenta ungruppo omogeneo di clienti, cresce lanecessità della protezione dai sovraccarichi,dal momento che c’è contemporaneità.

Poiché tutte queste diverse scelte sonosempre il risultato di compromessitecnico---economici e di considerazionipolitiche, è impossibile offrire una soluzioneche sia soddisfacente in ogni situazione.

Perciò, dopo aver analizzato brevemente itrasformatori e le loro caratteristiche,esamineremo le sollecitazioni cui itrasformatori sono sottoposti e i vari mezzidi protezione. La soluzione scelta resta,caso per caso, una responsabilità delprogettista della rete elettrica.

1 Introduzione


1.2 Tecnologia deitrasformatori ed usi

Il tipo di tecnologia dei trasformatori adielettrico liquido o a secco influisce sualcune caratteristiche, su alcune protezionida attivare e sui possibili luoghid’installazione. E’ necessario conoscere lecaratteristiche elettriche e termiche deitrasformatori per capire il lorocomportamento e la loro resistenza allesollecitazioni durante il servizio o in caso diguasto.

Tecnologie

H I trasformatori a dielettrico liquido sonogeneralmente sigillati ermeticamente conriempimento integrale. Questi trasformatorisono adatti in particolare per:

--- cabine non presidiate (zeromanutenzione),

--- condizioni ambientali gravose, se ilserbatoio è adeguatamente protetto (partiattive protette)

--- applicazioni per carichi ciclici (buonainerzia termica).

D’altra parte, il liquido dielettrico presentadei rischi insiti:

--- inquinamento delle falde acquifere (incaso di perdite del dielettrico), da cui vienel’obbligo, in alcuni casi, di fornire uncontenitore per la raccolta di eventualifuoriuscite del liquido isolante.

--- fuoco (vedi fig. 1), che è il motivo per cuisono proibiti in alcuni edifici.

Questi rischi sono presi in considerazionenei vari regolamenti e norme cheriguardano le condizioni di installazione elimiti di utilizzo.

H I trasformatori ”a secco” sono piùindicati per:

--- installazione in ambiente controllato:polvere, umidità, temperatura, ecc. edevono essere periodicamente puliti espolverati,

--- edifici, in particolare quelli di grandealtezza, dal momento che questitrasformatori hanno una buona resistenzaalle fiamme (esempio classe F1 inconformità CEI 14---8 ”IEC60726”) esoddisfano i criteri di non tossicità dei fumi.

Caratteristiche

I valori nominali sono definiti dalla normaIEC 76 (trasformatori). Alcune caratteristicheelettriche sono richieste per sapere come iltrasformatore resiste alle sollecitazionidurante il servizio e in caso di guasto;queste caratteristiche sono anche fattoridecisivi nella scelta e nella regolazione deidispositivi di protezione:

H Tensione primaria nominale (Ur )

L’applicazione della norma IEC 71(coordinamento dell’isolamento) consente discegliere il livello di isolamento e la tenutaall’impulso atmosferico (vedi fig. 2 ).

H Tensione di cortocircuito (Ucc)

Essa consente il calcolo della correnteassorbita dal primario in caso dicortocircuito tra i morsetti del secondario,

Ic =100 Ir

Ucc %

se si trascura l’impedenza a monte.

Questa fornisce anche l’impedenza deltrasformatore, necessaria per calcolare lacorrente di cortocircuito che si verifica nelsistema di distribuzione di B.T.

Z =Vcc % Vr

100 Ir

Le tensioni di cortocircuito sonostandardizzate e sono in funzione dellapotenza del trasformatore: da 4 a 6% pertrasformatori MT/BT (vedi fig. 3 ).

H Correnti di inserzione

In particolari condizioni sfavorevoli(trasformatore a vuoto, elevato flussoresiduo e inserzione allo zero di tensionecon un flusso iniziale della stessa polaritàdel flusso residuo), il nucleo magneticoviene saturato, con l’avvolgimento che arrivaa tre volte il proprio flusso nominale.

A causa di questa saturazione, l’induttanzaapparente della bobina calasignificativamente e si avvicina alcomportamento di una bobina in aria(aumento del flusso disperso).


La corrente risultante nell’avvolgimento puòperciò raggiungere valori di picco molto alti,fino ad una decina di volte la correntenominale massima, con una forma d’ondadella corrente estremamente distorta acausa dei fenomeni di saturazione(vedi fig. 4 ).

Questo fenomeno di inserzione si attenuanocon una costante di tempo che dipende daltrasformatore, legata alle sue caratteristichemagnetiche e al flusso di dispersione. Lacostante di tempo è dell’ordine di qualchecentinaio di millisecondi per i trasformatoridi distribuzione (più avanti, in questodocumento, viene fornita una tabella divalori numerici).

La conoscenza delle correnti di inserzioneè necessario per determinare la scelta e/o leregolazioni dei dispositivi di protezionecontro il cortocircuito posti sul primario deltrasformatore.

H Inerzia termica del trasformatoreQuesta varia a seconda del tipo ditrasformatore (a secco o in olio) e dellapotenza. La conoscenza è utile perdeterminare quale protezione usare contro ilsovraccarico.


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2.1 Mettere in tensione efuori tensione

Le ”manovre” dei trasformatori didistribuzione si limitano alla messa intensione e fuori tensione. Nella distribuzionepubblica, queste operazioni sonoeccezionali e non corrispondono realmentea un normale modo d’uso. Tuttavia, itrasformatori sono messi in tensione e fuoritensione durante il funzionamento degliinterruttori della rete a monte, compresi icicli di richiusura. La richiusura rapida puòcausare la messa in tensione con un forteflusso residuo, che, per contro, generacorrenti di inserzione particolarmente alte.

Negli impianti di tipo industriale o terziario,le stesse manovre possono essereeffettuate sistematicamente, per esempioper l’avviamento/ arresto del processooppure l’apertura/chiusura di impianti, ecc.Quando il carico collegato al trasformatore ècontrollato, la messa in tensione può essererealizzata a carico o a vuoto.

Dal momento che lo smorzamento dellecorrenti di inserzione è legata allecaratteristiche magnetiche del trasformatore(principalmente le sue perdite di isteresi), lapresenza di un carico ha poca influenza sulcomportamento.

La messa in tensione avviene generalmentecon i carichi collegati. Se anche questipresentano fenomeni transitori, si deveconsiderare il comportamento globale. Peresempio, nel caso delle unità trasformatoremotore, la corrente transitoria deltrasformatore si sovrappone alla corrente diavviamento del motore, ma le durate sonosignificativamente diverse e l’impedenza deltrasformatore è dimensionata per limitare larichiesta di corrente durante la fase diavviamento. Questi casi ben definiti devonoessere oggetto di studio speciale. Essi noncorrispondono ad applicazioni del tipo”distribuzione”.

Le correnti di inserzione richiedonodispositivi di monitoraggio (relè, TAassociati, fusibili, ecc.) che integrino ilconcetto di ritardo per non generare azioniintempestive. Questo aspetto vieneulteriormente trattato nel paragrafocorrispondente.

2.2 Sovratensioni esterne Origine e gravità

I trasformatori di distribuzione sono soggettia sovratensioni transitorie provenienti dallarete a cui sono collegati. Questesovratensioni sono il risultato sia difulminazioni dirette o indotte sulle reti MT oBT (vedi ”Dossier Tecnico” n˚ 168:fulminazioni e installazioni elettriche MT),che di trasmissione a livello di MT disovratensioni di manovra generate dalla retea monte.

Durante la messa fuori tensione da partedell’apparecchiatura situataimmediatamente a monte, le sovratensioniche possono essere generate dall’insiemetrasformatore --- apparecchio di manovra ---circuito di alimentazione, porta unasollecitazione dielettrica nel trasformatore.

Questa sollecitazione causa il prematuroinvecchiamento, oppure addirittura uncedimento dell’isolamento tra le spire overso la terra. Le condizioni più critiche siottengono durante la messa fuori tensionedi trasformatori a vuoto, con dispositivi dimanovra capaci di interrompere correnti adalta frequenza, come gli interruttori in vuoto.

L’utilizzo di tali apparecchi come mezzo dimanovra deve essere perciò valutato concautela. I criteri che determinano la gravitàdella sovratensione per i trasformatori sono,naturalmente, il valore di picco, così comela velocità di variazione della tensione(fronte di salita, oppure fronte di discesa incaso di prossimità ad una ”onda tronca ”)che porta ad una distribuzione irregolaredelle sollecitazioni negli avvolgimenti eperciò provoca un superamento dei limiti ditenuta tra le spire, anche se il valore dipicco tra i terminali degli avvolgimentiprimari non supera valori limite (vedi fig. 5 )

2 Sollecitazioni in esercizioe modalità di guasto


Rischi di esposizione

I rischi di esposizione a sovratensioni per undato trasformatore sono legati al sito diinstallazione e dipendono da criteri tipo:

H MT fornita da una rete aerea osotterranea,

H l’eventuale presenza, dimensionamentoe condizioni di installazione di dispositivi dilimitazione delle sovratensioni (scaricatori oprotezioni spinterometriche),

H la lunghezza e il tipo di connessioni trala rete e il trasformatore,

H il tipo di apparecchiatura e le condizionidi manovra,

H la qualità delle connessioni di terra edeventuale collegamento con la messa aterra della cabina,

H rete BT aerea o sotterranea,

H messa a terra delle rete BT e suoeventuale collegamento con la messa aterra della cabina.

Le definizioni normative che si riferiscono alconcetto di livello di isolamento noncoprono completamente le sollecitazioni cuii trasformatori possono essere sottoposti,dal momento che alcuni fenomeni della retesono poco considerati, come per esempiole tensioni transitorie a fronte ripido.

In più, è cosa saggia per il progettistaevitare di precisare delle caratteristiche cherichiedano una costruzione specifica per ilcliente. Limitiamoci perciò ad una scelta tra ilivelli di isolamento standard (vedi fig. 2 ).

Guasti dell’isolamento

H Guasti interni dovuti a sovratensionipossono essere osservati nelle seguentiforme:

--- guasti dell’isolamento tra le spire nellostesso avvolgimento (il caso più frequente),

--- guasto dell’isolamento tra avvolgimenti,

--- guasti dell’isolamento tra l’avvolgimentosollecitato e una parte conduttrice contigua(nucleo o serbatoio)

Il comportamento associato a queste duecategorie di guasto è descritto in dettaglionelle pagine seguenti.

H L’isolamento esterno dei trasformatori aimmersione è largamentesovradimensionato e raramente siosservano casi di guasto all’isolamento inquesti trasformatori, fatta eccezione peralcuni casi di trasformatori su linea aerea inluoghi particolarmente inquinati.

Come accennato in precedenza, itrasformatori a secco possono esseresoggetti a guasti esterni del dielettrico inluoghi dove si riscontra un inquinamentodelle superfici isolanti.


2.3 Sovraccarichi Generalità

L’incremento di temperatura accettabilenelle varie parti del trasformatore, tenendoconto dei valori di soglia stabiliti nelle norme(basate su un’aspettativa di vita correlataall’invecchiamento del materiale isolante) èdefinito per un servizio continuo. Un valoredi corrente più alto di quello nominalecorrisponde al servizio in condizioni disovraccarico. Il perdurare di una situazionedi sovraccarico porta al superamento deilimiti di sovratemperatura previsti indeterminati punti del trasformatore (aseconda di come questo è costruito) e, incaso di temperatura ambiente superiore aquella massima di riferimento, alsuperamento delle sovratemperatureaccettabili.

La distinzione tra riscaldamento esovratemperatura è importante perchéconsente l’analisi differenziata delle criticitàdi alcune condizioni di sovraccarico. Peresempio un sovraccarico dovuto ariscaldamento elettrico durante l’inverno inun clima freddo non ha le stesseconseguenze di un sovraccarico dellostesso livello dovuto a condizionatori d’ariain un clima caldo in periodo estivo.

Tuttavia, in condizioni di servizio anomale oeccezionali, è accettabile superare le soglie,eventualmente a scapito dell’aspettativa divita. Questo è preferibile a un’interruzionedel servizio dovuto a un momentaneo piccodi energia.

I criteri di sovraccarico accettabili, cosìcome la temperatura ambiente e ilfunzionamento con cicli di carico, ecc.,sono presentati nel ”Dossier Tecnico”relativo ai trasformatori di distribuzione.

I sovraccarichi sono spesso transitori e nonhanno effetto sull’equilibrio termico; l’inerziatermica dei trasformatori, essenziale per itrasformatori ”in olio”, consente disopportare questi alti valori in ragione diuna proporzionalità inversa rispetto altempo (vedi fig. 6 ).

Le correnti di sovraccarico accettabilivariano a seconda che noi siamo interessatioppure no ad un servizio stabile; il semplicemonitoraggio di una soglia di corrente inciascuna fase può essere inutilmentepenalizzante.

Distribuzione pubblica

Nella distribuzione pubblica, i sovraccarichinon portano generalmente a un distaccodel trasformatore, essendo stata data unapriorità nel breve periodo alla continuità diservizio.

Inoltre, i circuiti BT sono sempresovradimensionati e un sovraccarico deltrasformatore non corrisponde mai ad unsovraccarico dei conduttori di BT. Se lesituazioni di sovraccarico si ripetono conuna frequenza eccessiva, l’ente distributoreè portato a sostituire il trasformatore con unmodello più potente. Alcuni enti distributoriutilizzano la misurazione del massimovalore medio della corrente, per monitorarel’evoluzione dei picchi di potenza assorbitida ciascun trasformatore.

Distribuzione industriale

In un’installazione industriale, una situazionedi sovraccarico può essere di breve durata,legata per esempio alla fase di avviamentodi una macchina, oppure può essere dilunga durata a causa della contemporaneitàdi più carichi. In queste installazioni, ilquadro generale di BT, che si trovaimmediatamente a valle del trasformatore èequipaggiato con interruttori per laprotezione da situazioni di sovraccaricoprolungato.

La gestione perciò è fatta sul lato BT, siacon procedure di distacco del carico perinstallazioni complesse, sia con unintervento generale, se a valle, prima diquesto intervento, non se n’è verificatonessun altro.

Distribuzione del settoreterziario

Nelle installazioni del settore ”grandeterziario”, come uffici, centri commerciali,ecc. il criterio della continuità di servizio èimportante. Non ci sono configurazioni dicarico periodico che presentino regimi diavviamento o comportamenti simili. Ildistacco del carico è essenziale nel caso disovraccarico del trasformatore e può essereeseguito a scapito di applicazioni nonprioritarie, come, per esempio, sistema diriscaldamento o di condizionamento.

La funzione di ”distacco del carico” èsempre più integrata nel sistema”GESTIONE TECNICA degli EDIFICI”.


2.4 Cortocircuiti sullarete BT

In caso di guasto a valle del trasformatore,l’impedenza dei circuiti BT diventarapidamente un fattore dominante neicalcoli della corrente di cortocircuito (vedi”Quaderni Tecnico” n˚158: Calcolo dellecorrenti di cortocircuito), e gli unici guastiche rappresentano una sollecitazionesignificativa per il trasformatore sono quelliche si verificano nelle sue immediatevicinanze. Questi guasti sono gestiti siadalle protezioni BT interessate (fusibili ointerruttori), sia dalla protezione MT a montedel trasformatore, nel caso di un guasto amonte delle protezioni BT.

Si ricorda che un trasformatore contensione di cortocircuito del 5% ha unacorrente di corto di 20 In, con una sorgentedi potenza infinita e un corto---circuito inbassa tensione d’impedenza trascurabile.L’ipotesi di una sorgente di potenza infinitaè spesso realistica nella distribuzionepubblica, dove la potenza unitaria deitrasformatori di distribuzione è moltoinferiore alla potenza di cortocircuito dellarete MT.

Questo invece non accade nei settoriindustriale e grande terziario e trascurarel’impedenza della sorgente impone scelteinutilmente penalizzanti nella fase diprogettazione delle parti di rete BT e deirelativi dispositivi di protezione. Per itrasformatori, un guasto BT vicino aiterminali si trasforma in sollecitazionitermiche, a seconda dei valori e delladurata del guasto, e in sollecitazionimeccaniche, a causa dell’effettoelettrodinamico, specialmente nelle fasiiniziali del guasto. Generalmente itrasformatori sono progettati per riuscire aresistere a cortocircuiti tra i loro terminali(sorgente infinita e cortocircuito franco), checorrisponde a una situazione più grave chequalsiasi situazione prevedibile durante ilfunzionamento. Tuttavia, guasti ripetutipossono avere effetti cumulativi (come, peresempio, spostamenti delle bobine ), econtribuire al prematuro invecchiamento. Inqualsiasi caso, la durata del guasto deveessere limitata da un dispositivo diprotezione, altrimenti rischia di portare alladistruzione per effetti termici.

2.5 Evoluzione di unguasto interno

Guasti tra le spire

I guasti tra le spire dell’avvolgimentoprimario sono i guasti più frequenti e i piùdifficili da rilevare. Essi sono il risultato di undeterioramento localizzato dell’isolamentodel conduttore, dovuto a sollecitazionidielettriche o termiche. L’effetto iniziale èlimitato a un leggero aumento della corrente

del primario, dovuto alla variazione delrapporto del trasformatore legata alcortocircuito di una spira sull’avvolgimentocoinvolto.Questa spira guasta si comporta come unavvolgimento secondario e diventa sede diuna corrente limitata esclusivamente dallasua stessa impedenza e resistenza nelpunto di guasto (vedi fig. 7 ).


A seconda della corrente che passaattraverso questa spira, l’evoluzione delguasto sarà più o meno rapida.

Nel caso di alte correnti, il locale rialzo dellatemperatura porterà al deterioramento dellespire vicine e il guasto si propagheràvelocemente. L’ordine di grandezzacorrisponderà approssimativamente a centovolte la corrente nominale oppure circa 1 kAper l’avvolgimento primario di untrasformatore di 400 kVA sotto i 20 kV(CIRED 1991/1.14). In ogni caso, lapresenza di un arco locale porterà ad unrilascio di gas, sia che si tratti ditrasformatore in olio o a secco. Questaemissione può provocare un aumento dipressione, fino alla rottura di parti dellastruttura (serbatoio o isolamento solido).

Se il guasto causa una bassa corrente delprimario, i fenomeni possono essere lenti edifficili da rilevare mediante il monitoraggiodella corrente di alimentazione. I test dilaboratorio su trasformatori in olio hannomostrato correnti tra 1 e 6 volte la correntenominale, accompagnate da grandiemissioni di gas, per guasti checoinvolgono fino al 8 % delle spire delprimario (CIRED 1991/1.14).

Questo è il motivo per cui il monitoraggio diemissioni gassose o della pressione puòessere usato in modo complementare aidispositivi di protezione basati sulla misuradella corrente.

Guasti tra gli avvolgimenti

H Avvolgimenti MT

I guasti tra gli avvolgimenti MT sono rari mapossono causare alte correnti di guasto,fino al valore di cortocircuito della rete nelcaso di un guasto sui terminali con dannisignificativi.

Alcuni guasti che avvengono in puntiparticolari, come tra gli avvolgimenti inprossimità della connessione del neutro inun collegamento a stella, sono simili a unguasto tra le spire, dal momento che i puntiche vengono a contatto non hanno grandedifferenza di tensione.

H Avvolgimenti BT

Il guasto solo eccezionalmente si verifica tragli avvolgimenti BT, poiché sono posizionativicinissimi al nucleo magnetico e sonocircondati dagli avvolgimenti MT. Nel casodi avvolgimenti BT multipli sulla stessacolonna del nucleo magnetico (per esempiocollegamento a zig---zag), esiste lapossibilità di guasto. In qualsiasi caso, lacorrente di guasto rimane minore dellacorrente di corto tra i terminali delsecondario, ma l’evoluzione può essereveloce per la presenza di un arco diintensità significativa.

H MT/BT

Un guasto tra gli avvolgimenti può portareanche ad un contatto tra il primario e ilsecondario, con il verificarsi di un potenzialepericoloso sulla rete BT (vedi ”DossierTecnico” n˚ 172: sistemi di messa a terranella BT). Il rischio verso apparecchiature epersone dipende dal sistema del neutronelle due reti (vedi fig. 8). In alcuneapplicazioni, per aumentare la sicurezzadell’avvolgimento a bassissima tensione,l’utilizzo di uno schermo collegato a terra,posizionato tra gli avvolgimenti primario esecondario, consente l’eliminazione diquesta ipotesi di guasto favorendo i guastifase---terra. In questo caso, le connessioni aterra della struttura del trasformatore e delneutro BT sono diverse, impedendo cosìl’aumento del potenziale della rete BTrelativo alla terra.


Guasti verso terra einfluenza del sistema dimessa a terra del neutro

I guasti tra gli avvolgimenti MT e la terrasono causati molto spesso da uncedimento dell’isolamento a seguito di unasovratensione.

Tuttavia essi possono anche risultare daguasti di tipo meccanico oppure, comevisto prima, dall’evoluzione di un guastoelettrico. Le caratteristiche di un guasto aterra, così come la capacità di rilevarlo,dipendono dal sistema di messa a terradella rete di alimentazione e dalla posizionedel guasto nel trasformatore(vedi fig. 9 ).

H Nel caso di neutro MT non distribuito,collegato a terra da un’impedenza, il guastoprovocherà la comparsa di una correnteverso terra, che varia in funzionedell’impedenza del neutro e della posizionedel guasto nell’avvolgimento.

In caso di una bassissima corrente diguasto, c’è il rischio di un lento incrementodella pressione interna al trasformatoresimile a quello dei guasti tra le spire. Unrilevamento preciso a della corrente versoterra potrebbe essere un efficace mezzo diprotezione; tuttavia, tale protezione nonsempre è tecnicamente e/oeconomicamente fattibile.

H Nel caso di una rete con neutroaccordato (messa a terra con bobina diPetersen), un guasto nell’isolamento di untrasformatore in olio presenterà un caratteredi auto---estinguenza periodico.

H Il basso valore della corrente di guastopermette la sua spontanea estinzionenell’olio e il progressivo riapparire dellatensione, caratteristica di una rete conneutro compensato, che porterà ad un altroguasto diverse centinaia di millisecondi piùtardi. La frequenza dei fenomeni aumenteràse c’è un progressivo deterioramentocausato da guasti successivi, che porteràad un abbassamento della tenuta dielettrica.

H Nel caso di una rete con neutrocollegato direttamente a terra e distribuito(rete a 4 conduttori, di tiponord---americano), la presenza dellacorrente del neutro è normale, a causadell’esistenza di carichi monofase, e lacomparsa di un guasto aumenterà questacorrente (in funzione dell’impedenza dellasezione di avvolgimento noncortocircuitato). La situazione è perciòanaloga al cortocircuitodell’autotrasformatore.La corrente di guasto sarà sempresignificativa e richiederà una rispostaveloce, altrimenti si rischia un’esplosione. Alcontrario, si rischia che non venga visto daidispositivi di protezione della rete che sonoregolati per consentire una grande correntedel neutro (fino al 40 % della correntenominale della linea). E’ quindi la protezionedel trasformatore che deve essere in gradodi intervenire.

Una percentuale significativa di guastiriguarda la struttura del trasformatore,perciò è utile la protezione di terra contro iguasti di terra. Poiché la corrente di terra incondizioni normali è uguale a zero (eccettoche nelle reti con sistema del neutro a terrae distribuito), tale protezione può essereregolata su una soglia bassa, per esempio10 % della corrente nominale con un ritardodi 100 ms, in casi con trasformatori dicorrente, e con pochi ampères, dove siutilizzano sensori di corrente residua(differenziale).


2.6 Guasti correlati altipo di tecnologia

I guasti interni del trasformatore avvengonoinnanzitutto in conseguenza di sollecitazioniesterne (sovratensioni, sovracorrenti). Inprecedenza, abbiamo visto le diversemodalità di guasto e il modo in cui lasituazione può evolvere. Tuttavia, sipossono prevedere altre modalità di guastoa seconda del tipo di tecnologia deltrasformatore.

H Trasformatori in olio

--- Una sua fuoriuscita non rilevata puòsfociare, col tempo, in un guasto elettricoper la perdita di isolamento nella parte altadelle bobine.Una fuoriuscita di questo tipo può essereprovocata, per esempio, dalla corrosionedel serbatoio oppure da un impattomeccanico sullo stesso .

--- L’inquinamento dell’olio, per la presenzadi particelle provenienti dal serbatoio stesso,dal nucleo o dall’isolamento, oppure perinfiltrazione d’acqua, può causare anche lasituazione di guasto dielettrico.Questo inquinamento di solito non èmonitorato nei trasformatori di distribuzione.

H Trasformatori con isolamento solido

--- Anomale sollecitazioni meccaniche(impatti, sforzi per stringere le connessioni,ecc.) possono fessurare l’isolamento,causando archi tra le spire o verso le massea terra vicine.

--- Le fessurazioni dell’isolamento possonoanche essere conseguenza di uninvecchiamento termico anomalo, correlatoad un errato utilizzo del trasformatore.

--- Imperfezioni nella colata dell’isolamentosolido possono creare fenomeni di scaricheparziali, se nell’isolamento sono presentibolle in aree con alto campo elettrico.Questo fenomeno causa un guasto internodel materiale isolante e può portare ad undanno maggiore.

--- La presenza di inquinanti esterni(polvere) su questo tipo di trasformatoriinterferisce con la distribuzione dellesollecitazioni dielettriche di superficie e puòcausare guasti dell’isolamento.

--- La presenza di messe a terra metallichead una distanza inferiore a quellaraccomandata dal costruttore può causare,localmente, una sollecitazione eccessivadell’isolamento.

La fig. 10 rappresenta un riassunto dellesollecitazioni operative e le relativeconseguenze.


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3.1 Generalità Un trasformatore alimentato in antenna,oppure uno posizionato nel punto diapertura di un anello, rappresenta, in casodi alta frequenza, un’impedenza moltoelevata, comparabile all’impedenza d’ondadel cavo o della linea di alimentazione.Per questo motivo, durante i fenomeni dipropagazione dell’onda, il trasformatore èun punto di quasi completa riflessione e lasollecitazione cui è sottoposto puòraggiungere approssimativamente il doppiodella tensione massima dell’onda incidente.

Per essere efficaci, è essenziale che idispositivi di limitazione siano posizionatinelle immediate vicinanze del trasformatore.Il corrispondente ordine di grandezza ècirca una decina di metri.Le condizioni di installazione, in particolarela lunghezza delle connessioni e i valori diimpedenza della messa a terra, hanno unagrande influenza sui livelli di prestazione deidispositivi di protezione (vedi ”DossierTecnico” n˚151: Sovratensioni ecoordinamento dell’isolamento AT e MT, e”Dossier Tecnico” n˚ 168 ---Impulsiatmosferici e installazioni elettriche AT).

3.2 Scaricatori eprotezionespinterometrica

Sono due i mezzi di protezione dallesovra---tensioni largamente utilizzati: laprotezione spinterometrica e gli scaricatori.I dispositivi di protezione spinterometricasono i più semplici e i meno costosi: essivengono usati esclusivamente in reti aeree.Gli scaricatori, invece, forniscono protezionecon migliori prestazioni, ma a un costonotevolmente maggiore.

Dispositivi di protezionespinterometrica

I dispositivi di protezione spinterometricasono meccanismi semplici, composti dadue elettrodi in aria. La limitazione dellatensione tra i terminali è ottenuta dallosviluppo della scarica in aria .

Questo tipo di protezione ha un certonumero di inconvenienti :

H Una forte variabilità dei valori di tensioned’innesco della scarica in funzione dellecondizioni ambientali (umidità, polvere,corpi estranei, ecc.).

H Il livello di protezione dipende dallaripidità del fronte di salita dellasovratensione. Infatti, l’aria presenta uncomportamento ”ritardatore di scarica”, chesignifica che un’alta sovratensione con unfronte di salita molto ripido comportal’innesco a un valore di cresta moltosuperiore al livello di protezione desiderato(vedi fig. 11 ).

H Dopo l’intervento del dispositivo diprotezione spinterometrica, compare unacorrente di guasto di terra.

Questa corrente ”di ritorno”, la cui intensitàdipende dal sistema di messa a terra delneutro di rete, non può generalmenteestinguersi spontaneamente e richiedel’intervento di un dispositivo di protezione amonte.

La richiusura, eseguita poche centinaia dimillisecondi dopo, consente il ripristino delservizio.

Dispositivi come gli interruttori shunt, per reticon messa a terra tramite impedenza,estinguono l’arco e sopprimono il guastosenza portare ad un’interruzione dellafornitura.

3 Protezione dallesovratensioni


Scaricatori

Gli scaricatori permettono di eliminarequesti inconvenienti difficilmente controllabiliattraverso un comportamento reversibile.Essi sono resistori estremamente non linearicon una grande diminuzione dellaresistenza interna al di sopra di un certovalore di tensione dei terminali (vedi fig. 12). La riproducibilità di funzionamento èmolto migliore di quella delle protezionispinterometriche e non presenta fenomenidi ritardo.

I vecchi modelli a carburo di silicio (SiC)non riescono a resistere alla tensionepermanente di servizio, dal momento che laloro corrente residua è troppo grande egenera un’inaccettabile potenza dissipata.Essi sono perciò associati a dispositivi diprotezione spinterometrica collegati in serie,capaci di interrompere le correnti residue edi mantenere la tensione di servizio.

I più recenti modelli in ossido di zinco (ZnO)hanno una più accentuata non linearità, checonsente loro di avere correnti didispersione minori di 10 mA alla tensione diservizio. Per questo motivo, è possibilemantenere le parti attive sempre in tensione.La loro estrema non linearità, inoltre,aumenta l’efficacia della protezione controle alte correnti(vedi fig. 12 ).

Gli scaricatori in ossido di zinco, il cuiutilizzo si sta sempre più diffondendo, sonodisponibili come prodotti referenziati dautilizzare nelle reti aeree, nei quadri onell’ampliamento di accessori plug---inconnection. Possono essere perciò copertetutte le possibilità di installazione.


4.1 Protezione tramitemisura della corrente

La protezione contro i sovraccarichi deveoperare ad una soglia compresa tra 110 e150 % della corrente nominale epreferibilmente in modotempo---dipendente. Essa può esserecollocata sia sul lato MT che sul lato BT. Piùè bassa la potenza del trasformatore, più èopportuno posizionare la protezione sul latoBT. Al contrario, maggiore la potenza, piùconviene scegliere una protezione sul latoMT.

Protezione sul lato MT

La protezione contro i sovraccarichi sul latoMT è importante per i trasformatori di altapotenza con un interruttore MT associato aprotezioni di massima corrente a tempocostante o a tempo indipendente. Esseinoltre garantiscono la protezione contro altecorrenti di guasto (per esempio guasto MT).In qualsiasi caso, bisogna rispettare i criteridi selettività con i dispositivi di protezioneBT.

Protezione sul lato BT

La protezione sul lato BT è facile darealizzare con un interruttore BT principale.Questo tipo di apparecchio dispone di unacurva a tempo inverso (cosiddetta termica oa lungo ritardo), che generalmentesuperprotegge il trasformatore. Infatti, lacostante di tempo e l’inerzia, prese inconsiderazione per definire la curva, sonoquelle della linea BT e sono minori di quelledel trasformatore.

Per proteggere il trasformatore, l’interruttorenon è regolato in funzione della tenutatermica dei conduttore a valle, comeavviene normalmente nel caso delle reti BT,ma in funzione della corrente nominale deltrasformatore a monte, che di solito èinferiore alla corrente nominale deiconduttori. Se l’interruttore generale ètemporizzato per assicurare la selettivitàcronometrica con l’alimentazione BT, allorala selettività può diventare difficile (conun’eventuale protezione MT). Questoargomento viene ulteriormente sviluppatonei paragrafi che parlano di protezione MT.

Si ricorda che in questo schema diprotezione BT, scegliamo di proteggere itrasformatori contro sovraccarichi ecortocircuiti sulla rete BT, senza considerarele modalità di guasto interno.

Quando la rete BT ha un’alta impedenza,dovuta alle lunghe distanze e all’uso diconduttori non schermati. I guasti possonoverificarsi lontano dai trasformatori, tra le fasio tra fase e terra; la corrente rimane bassa,nell’ordine, ad esempio di 2 o 3 volte la Indel trasformatore.

Un tale guasto rappresenta un pericolo peril pubblico nel punto di guasto, e, se questopersiste, diventa un fattore di rischio per itrasformatori. Questi guasti non vengonorilevati dai normali dispositivi di protezionedal cortocircuito, come i fusibili, e possonogiustificare l’adozione di una protezione ”dasovraccarico” per mezzo di un interruttorecapace di rispondere a questa situazione.

Gli sganciatori associati a tali interruttori BTpossono essere equipaggiati con lafunzione ”a immagine termica”, chesopporta sovraccarichi monofase, se le altrefasi sono poco cariche e la temperaturarisultante all’interno del trasformatore simantiene ad un livello accettabile. Questamodalità operativa è valida solo per latecnologia dei trasformatori ”in olio”, neiquali il liquido dielettrico favorisce loscambio di calore tra i suoi vari componenti.

Questa soluzione è di particolareimportanza nella distribuzione pubblica,dove la contemporaneità di carichi collegatiad un trasformatore a bassa potenza èdifficile da ottimizzare. La soluzione èutilizzata negli interruttori per trasformatorida palo e perciò aiuta a eliminareingiustificate interruzioni della fornitura alcliente. La tecnologia scelta permette,tramite lo scambio di calore nellosganciatore, di ricreare un’interazione fra itre componenti di misura della corrente---generalmente resistori con coefficiente ditemperatura positivo--- così come un’inerziatermica totale rappresentativa di quella deltrasformatore protetto.

4 Protezione controi sovraccarichi


Per la stessa temperatura massima delpunto caldo nel trasformatore, la corrente diintervento in uno stato permanentementesquilibrato può quindi essere aumentata avalori notevolmente più alti di quelli ottenutidalla protezione di fase indipendente. Inpiù, tenendo in considerazione l’inerziatermica, si può fare un utilizzo più efficientedel trasformatore durante i sovraccarichitemporanei (vedi fig.13 ).

4.2 Protezione tramitemisura della temperatura

Il controllo della temperatura degliavvolgimenti è l’azione più rilevante dalmomento che è la temperatura che fainvecchiare l’isolamento. Tuttavia, per lesovratemperature che si verificano in sezioniin tensione, la misurazione di solito non puòessere effettuata direttamente su questipunti. Il lento tasso di variazione dellatemperatura per le correnti circolanti duranteun sovraccarico, aumento dovuto all’inerziatermica dei trasformatori, permette diconsiderare la misurazione comerappresentativa. Un aumento veloce dellatemperatura degli avvolgimenti ènormalmente gestito dal rilevatore disovracorrenti.

Per i trasformatori in olio, normalmente è latemperatura dell’olio che viene presa comeindicatore. Infatti, il liquido dielettricofunziona come un fluido refrigerante per gliavvolgimenti e tende a livellare latemperatura interna del trasformatore. Lamisurazione della temperatura può essereeffettuata tramite un termostato in grado difornire, in modo indipendente, delleinformazioni su un contatto di uscita.

Possono essere eventualmente utilizzatedue soglie, ad esempio per l’attivazione deltrasferimento di carico oppure per ilraffreddamento forzato, e una soglia diintervento. Questa funzione è integrata neidispositivi come ”GRPT” descritti di seguito.

Per i trasformatori in resina, non si puòrilevare una sola misura, dal momento chele temperature possono essere moltodiverse tra un avvolgimento e l’altro nelcaso di squilibrio.

In più, la loro tecnologia non si prestaall’uso di termostati, le cui parti attive sonoabbastanza voluminose. I costruttori offronotrasformatori equipaggiati contermoresistori* (PT200), come su alcunimotori di MT. Questi termoresistori sono poicollegati a unità che gestiscono i valori ditemperatura rilevati e in caso disuperamento della soglia impostata dannouna o più segnalazioni per allarme osgancio dello stesso trasformatore. E’pratica comune equipaggiare ciascunavvolgimento con uno o due sensori, inmodo che si possa monitorare con maggiorprecisione i punti ritenuti più caldi.


Per necessità operative --- manovra, cambiofusibili, sezionamento --- i fusibili sonoinstallati a valle di un dispositivo di manovra.Questi dispositivi sono spesso interruttori dimanovra sezionatore (IMS) con fusibili. Inquesto caso, i fusibili sono installati nellaapparecchiatura senza chenecessariamente ci sia un collegamento tra

il funzionamento dei fusibili e dell’IMS.Quando un fusibile ha un percussorecapace di aprire l’IMS alla fusione, allora ildispositivo viene definito come ”combinatointerruttore di manovra---fusibile ”.

5.1 Caratteristiche deifusibili MT

Generalità

I fusibili sono molto usati per la protezionedei trasformatori di distribuzione per retipubbliche, principalmente per la lorosemplicità e per il conseguente costo ridottodell’apparecchiatura. Tuttavia, i loro limititecnologici comportano un certo numero disvantaggi o imperfezioni che pongonoquesti dispositivi tra le protezioniconsiderate piuttosto ”di base”.

I fusibili sono caratterizzati dalla lorocorrente nominale, cioè il massimo valore dicorrente che il fusibile accetta in modopermanente in un’installazione all’ariaaperta, e le loro caratteristichecorrente/tempo di fusione. La correntenominale dipende dalla sovratemperatura inregime permanente sulle superfici dicontatto e sulle parti isolanti. Questo noncorrisponde alla fusione. C’è ancora unazona di valori di corrente tra la correntenominale e l’inizio della fusione.

Una corrente in questa zona generasovratemperature inaccettabili, chedeteriorano sia il fusibile sia il suo ambientecircostante per uno spazio più o menoesteso.

Alcuni fusibili integrano meccanismi sensibilialla temperatura destinati, nel caso dicombinato IMS+fusibile, ad attivarel’interruttore.

Classificazione dei fusibiliMT

Ci sono due famiglie principali di fusibili:fusibili a espulsione e fusibili a limitazione.

I fusibili a espulsione sono molto usati nelladistribuzione aerea di tipoNord---Americano, in configurazioni cheforniscono spesso una funzione di distaccoautomatico.

Tuttavia, per il fatto che essi sono non---limitatori, per il loro limitato potere diinterruzione e specialmente per il loro usoper esterno, essi tendono ad essere sempremeno utilizzati.

Per questo, approfondiremo l’argomentodei fusibili a limitazione, definiti nella normaIEC 282.

H Di questi fusibili, i più comuniappartengono alla categoria ”back---up” (o”associati”). Essi hanno una minimacorrente di interruzione (I3 nelle norme)maggiore della loro minima corrente difusione.

H I fusibili della categoria ”uso generale”sono definiti con una minima corrente diinterruzione tale che il corrispondentetempo di fusione sia maggiore di 1 ora.

H I fusibili della categoria ”gammacompleta” garantiscono l’eliminazione ditutte le correnti di fusione, fino al potere diinterruzione del cortocircuito.

Questi fusibili sono generalmente piùcostosi di quelli della categoria ”back---up”,cosa che limita il loro utilizzo. In più, essipermettono il surriscaldamento e noncostituiscono la soluzione unica in tutte leinstallazioni.

Se guardiamo alle curve delle caratteristichedei fusibili, possiamo osservare che:

H la minima corrente di fusione ècompresa tra 2 e 5 volte la correntenominale, a seconda dei fusibili,

H il tempo di risposta è estremamentedipendente dalla corrente e molto variabile(tolleranza della corrente di ±10 %). L’esattaforma della curva della corrente dipende daltipo di fusibile e dalla sua tecnologia.

Questo tempo è molto basso per le altecorrenti (più di 20 volte la correntenominale) (vedi fig. 14 ).

5 Protezione con fusibile MT ecombinato interruttore di manovra

sezionatore (IMS) -- fusibile


Criteri di scelta

La capacità dei fusibili limitatori, dirispondere entro pochi millisecondi ad altecorrenti è il loro principale vantaggio, se sieccettua il costo. Questa caratteristicapermette ai fusibili di fornire un effettolimitatore della corrente che è molto utilenegli impianti con alte correnti dicortocircuito. Infatti, il progettista puòdimensionare i conduttori del circuito a vallee i componenti tenendo conto di questoeffetto limitante e, perciò usare valori ditenuta alle correnti di guasto minori dellacorrente di corto della rete. Questalimitazione aiuta inoltre a ridurre gli effettidistruttivi di guasti maggiori

Le regole che riguardano la scelta deifusibili, fornite dal costruttore e dipendentidalle caratteristiche di ciascun tipo difusibile, soddisfano i seguenti criteri:

H la tensione di servizio del trasformatore,

H le correnti di inserzione,

H la possibilità, generalmente accettata, disovraccaricare temporaneamente untrasformatore,

H la necessità di eliminare un guasto dibassa tensione vicino (a monte deidispositivi di protezione BT) entro unperiodo di tempo sufficientemente breve,

H rispettare la selettività con le protezioniBT (vedi fig. 15 ).

Questi criteri sono approfonditinell’Appendice 1.

Tenendo in considerazione tutti questi criteri,così come la corrente di cortocircuito MT, lecondizioni di installazione e l’eventualenecessità di selettività, rendono la scelta deifusibili abbastanza complessa.

Proprio per questo, un certo numero diimpianti opera con fusibili che nonassicurano correttamente la protezione percui sono stati installati.

Essi possono provocare sia fusioniintempestive durante la messa in tensioneoppure non---protezione causata dallainadeguatezza delle loro caratteristiche.

5.2 Limiti dei fusibili Precauzioni nellamanipolazione

La tecnologia dei fusibili --- fili o nastrimetallici collegati in parallelo nella sabbia ---li rende meccanicamente fragili durante lemanipolazione o il trasporto.

Si osserva frequentemente undeterioramento dovuto alla rottura di uno opiù conduttori, in assenza di sollecitazionielettriche. L’utilizzo di un fusibiledanneggiato equivale all’impiego di unfusibile con un tasso di fusioneirregolarmente basso e si arrivavelocemente a fenomeni disovratemperatura.

Tali fenomeni possono provocare effettidisastrosi sull’apparecchiatura e perciòsull’intero impianto.

Per evitare questo tipo di incidente, glioperatori possono misurare la resistenzaappena prima dell’installazione, perassicurarsi che la resistenza del fusibile siaconforme con le sue specifiche e chequindi il fusibile non abbia elementiconduttori danneggiati.


Punti di funzionamento daevitare

H La zona operativa ” interdetta” per ifusibili ”back---up” si estende dalla correntenominale alla minima corrente diinterruzione. In questa zona, si osservanodue comportamenti successivi:

--- tra la corrente nominale e la minimacorrente di fusione, le eccessivesovratemperature possono danneggiarel’involucro del fusibile e ciò che staall’interno dell’UF in cui è installato ;

--- tra la minima corrente di fusione e laminima corrente di interruzione appare unarco che non si autoestingue e che portavelocemente ad un guasto MT di maggioreentità se nessun altro dispositivo interviene.

Perciò questi fusibili devono essere utilizzaticon cautela, solo in applicazioni in cui siaimpossibile la l’evento di una corrente convalore posizionato in questa zona critica. Sequeste situazioni di guasto sono possibili, ènecessario utilizzare il fusibile in uncombinato interruttore di manovra+fusibile.Questa soluzione viene discussa più sotto.

La guida alla scelta, IEC 787, che riguardala protezione con fusibili dei trasformatoririvede i diversi criteri.

H I fusibili ”gamma completa” non hannouna minima corrente di interruzione. La lorozona ” interdetta” è perciò limitata ai valoridi corrente compresi tra la correntenominale e la minima corrente di fusione,per adeguarsi ai limiti di sovratemperatura.Questa non è una zona problematica, fattaeccezione per fenomeni semi---permanentiche possono portare a effetti termicidannosi. L’ordine di grandezza del tempo èdi 1 ora.

H Nelle applicazioni di protezionetrasformatori, i guasti sono spesso evolutivi,basati su correnti basse. Questo tipo diguasto può sottoporre il dispositivo diprotezione a correnti che aumentanogradualmente fino a superare la correntenominale. Tale progressione, in un circuitoprotetto da fusibili di qualsiasi tipo, puòessere considerata pericolosa per il fattoche porta sistematicamente il fusibile nellazona critica. Un guasto in leggeraprogressione nel trasformatore puòprovocare un guasto dell’apparecchiatura,mediante surriscaldamento o non---fusionedel fusibile.

Esempio: un trasformatore da 400 kVA ---11kV è protetto da fusibili back---up concorrente nominale di 40 A, secondo laguida alla scelta del costruttore del fusibile,mentre la corrente nominale deltrasformatore è di 21 A. La curva di fusioneper un tale fusibile mostra una minimacorrente di fusione approssimativamente di100 A con una minima corrente diinterruzione approssimativamente di 130 A.Nel caso di guasto tra gli avvolgimentiprimari, c’è un’alta probabilità che questofusibile dovrà gestire un livello pericoloso dicorrente, essendo la minima corrente diinterruzione nell’ordine di 6 volte la correntenominale del trasformatore.

Funzionamento monofase

Supponendo che solo un fusibile fonda, iltrasformatore è dunque alimentato dallealtre due fasi. A seconda del collegamentodel trasformatore, i carichi di bassa tensioneavranno comportamenti diversi. In caso dicollegamento triangolo---stella, due fasi BTsu tre si troveranno in una situazione ditensione ridotta e lo sfasamento tra i vettoritensione non sarà rispettato. Questasituazione è dannosa principalmente per imotori tri---fase, così come per i motorimonofase collegati alle fasi con tensioneridotta. Anche altre applicazioni possonoessere influenzate dalla tensione ridotta, adesempio relè ausiliari o lampade di scarica.

La mancanza di una singola fase è perciòsempre più spesso una situazione daevitare e può essere considerata peggioredella totale interruzione della fornitura.

Trasformatori collegati inparallelo

Se si utilizzano trasformatori collegati inparallelo, è essenziale proteggerli con undispositivo comune. Questo evita lari---alimentazione del guasto su untrasformatore attraverso il collegamento BT

(vedi fig. 16 ). Se vogliamo effettuare laprotezione con fusibili, i sopra citati criteri didimensionamento vengono applicati allascelta dei fusibili, utilizzando la correnterisultante da entrambi i trasformatori. Perquesto motivo, si vedono la minima dicorrente di fusione e la corrente diinterruzione crescere di un fattore vicino a 2,paragonate ad un fusibile dedicato ad unsingolo trasformatore.

La protezione contro i guasti interni in unodi questi due trasformatori è perciònotevolmente ridotta; esiste per questo unaumento del rischio che questi fusibili sianosoggetti a situazioni critiche disurriscaldamento o fusione sotto I3.

L’uso di protezioni con fusibile non è perciòconsigliato in questi tipi di installazioni.


5.3 Utilizzo di uncombinatointerruttore---fusibile

Vantaggi

La fusione intempestiva, causatadall’invecchiamento o da fenomenitransitori, è la causa principale di situazioniin cui una fase MT viene meno. Laseparazione di una singola fase è evitatadall’impiego di combinati interruttore dimanovra---fusibile, in cui il fusibile èequipaggiato con un percussore. In questotipo di dispositivo, il percussore del primofusibile che ha fuso attiva l’interruttore e lo faaprire. L’interruzione dell’alimentazioneavviene perciò tra tutte e tre le fasi,qualunque sia la ragione della fusione delfusibile.

Questa modalità operativa consente inoltreall’interruttore di eliminare le basse correntidi guasto situate nella zona interdetta delfusibile (compresa tra la minima corrente difusione e I3). In questo modo è eliminato ilrischio di non interruzione da parte delfusibile.

Al contrario, poiché l’interruttore delcombinato non ha una capacità diinterruzione del guasto fino a alla correntedi cortocircuito, la scelta dell’abbinamentointerruttore---fusibile deve soddisfare leregole del coordinamento. Obiettivo diqueste regole è di garantire che l’interruttorenon venga mai posizionato in unasituazione in cui non possa interrompere.La pubblicazione IEC 420 tratta questicriteri.

Nel combinato interruttore dimanovra+fusibile, cercheremo perciò diattuare una separazione tra situazioni diguasto:

H le alte correnti vengono eliminate daifusibili, utilizzando la loro capacità diinterruzione e l’effetto limitatore,

H le basse correnti vengono eliminatedall’interruttore di manovra, dal percussoreo da altro intervento esterno.

Complessità

Tra i parametri considerati nel deciderel’abbinamento interruttore dimanovra---fusibile c’è la capacitàdell’interruttore di interrompere le correnti ditrasferimento. Le correnti di trasferimentosono definite come valore della correntetrifase alla quale i fusibili e l’interruttore siscambiano la funzione di interruzione:immediatamente sotto questo valore, lacorrente nel primo polo che interviene èeliminata dal fusibile, e la corrente negli altridue poli dall’interruttore; sopra questovalore, la corrente in tutte e tre le fasi èeliminata dal fusibile. Il calcolo dellacorrente di trasferimento è mostratonell’appendice 2.I calcoli e le prove eseguite per coprirequesta situazione sono tutte basatepresumendo un’impedenza di guastocostante.

Questo non è necessariamente il caso, dalmomento che la corrente di guasto, che èevolutivo, può aumentare. Il posizionamentodella corrente di trasferimento deve anchegarantire l’attivazione dei fusibili nellesituazioni di guasto che generanopericolose tensioni transitorie di ritorno. E’ ilcaso, per esempio, di un guasto tra iterminali BT di un trasformatore. Alcuni casidi guasto BT tra due fasi possono, aseconda del tipo di collegamento deltrasformatore, generare situazioni critichenon coperte dalla IEC 420.

Limiti

La scelta di fusibili in un combinatointerruttore di manovra---fusibile perprotezione trasformatore deve soddisfare ungrande numero di criteri. I fabbricanti diapparecchiature forniscono l’elenco difusibili che possono essere utilizzati neicombinati (marchio, tipi e potenze nominali)per ciascun tipo di applicazione. Nel caso incui queste raccomandazioni non venganorispettate, la protezione può esseredeclassata, oppure la sicurezzacompromessa a seconda del tipo di guastoche si verifica. Le regole di base sonoulteriormente discusse nell’appendice 1, maqueste, da sole, non garantiscono lacopertura di tutti i possibili casi di guasto. Lazona di surriscaldamento esiste ancora,virtualmente per tutti i fusibili, e l’uso di unacombinato interruttore di manovra---fusibilenon fornisce alcun mezzo di protezionecontro il danno termico, se la corrente simantiene in questa zona. Questo è il motivoper cui certi costruttori offrono fusibili con unlimitatore di temperatura integrato che, nelcaso di sovratemperatura anomala, fascattare il percussore e quindi il combinato.

Possibilità di protezioniaggiuntive

L’utilizzo di combinati interruttore dimanovra ---fusibile può essere ancor meglioutilizzabile quando si aggiunge undispositivo di protezione supplementarecome la protezione dal guasto di terra,oppure quando si tiene in considerazione lapressione o la temperatura. Il ritardo deve inogni caso garantire il rispetto della correntedi scambio del combinato. La corrente discambio è definita come il valore di correnteall’intersezione delle curve caratteristichetempo---corrente di due dispositivi diprotezione alla massima corrente (VEI441---17---16); nel nostro caso, è il valoredella corrente all’intersezione delle curve deifusibili da una parte e del dispositivo diprotezione dall’altro (IEC 420) (vediappendice 2).

Per concludere, la protezione tramitecombinato è relativamente complessa ecomporta dei rischi. Per questo motivo, ilprogettista dell’installazione elettrica puòpreferire la protezione tramite interruttore,che si può più facilmente associare confunzioni dalle alte prestazioni.


L’utilizzo di un interruttore ha i principalivantaggi di non creare correnti critiche ---l’interruttore è in grado di interrompere tuttele correnti inferiori alla suo potere diinterruzione --- e di offrire una grandeflessibilità nella scelta dei criteri operativi.

Le soluzioni tecniche offerte sono difrequente più costose con gli interruttori checon fusibili e combinati interruttore dimanovra---fusibile. Tuttavia, alcune soluzioni,in particolare gli apparecchi compatti deltipo Ring Main Unit, offrono interruttori adun costo unitario simile alle soluzioni basatesui fusibili.

6.1 Criteri di scelta dellecurve di intervento

Generalità

I dispositivi di protezione di massimacorrente agiscono quando la correntesupera un dato valore per un dato periododi tempo.

I dispositivi di protezione detti ”a tempodipendente”, per i quali il tempo diintervento dipende dal valore della correntecircolante, sono i più comunemente usati.

Infatti, essi riescono a conciliare grandiritardi in zone di bassa corrente(sovraccarico o primo guasto interno) conun intervento veloce in caso di guasto dimaggiore entità. La curva”tempo---corrente” del relè garantisce ancheil non intervento durante i fenomenitransitori come le correnti di inserzione.Numerose curve sono fornite nelle normeinternazionali (IEC 255) e hanno il vantaggiodi offrire la selettività tra gli interruttori MT.Altre curve sono fornite dai costruttori esono più adatte alla protezione deitrasformatori di distribuzione.

Selettività

La selettività comporta solo l’intervento deldispositivo di protezione più vicino alguasto, per minimizzare la parte diinstallazione o di rete fuori servizio.Nell’applicazione specifica di protezione ditrasformatori MT/BT, la selettività deveessere fatta relativamente all’interruttore MTa monte ed, eventualmente, ai dispositivi diprotezione BT a valle. Nella distribuzionepubblica, l’interruttore immediatamente amonte del dispositivo di protezionetrasformatore è un interruttore di linea o diderivazione; i suoi parametri di protezionesono generalmente governati da valorimolto più elevati e la selettività è attuatasenza alcun vincolo ulteriore. La selettivitàrelativa a dispositivi a valle è utile solo nelcaso di numerosi dispositivi di protezioneBT collegati in parallelo. Se c’è uninterruttore generale BT, una perdita diselettività non cambia il fatto che tutti gliutenti BT sono scollegati. Si può perciòconsiderare che l’interruttore MT e ildispositivo di protezione BT costituisconoun singolo livello di selettività. Infatti, peraspetti regolamentari e contrattuali tra glienti e gli utenti BT gli operatori raramentehanno

accesso ad entrambi gli interruttori. Nelleinstallazioni MT private e quando leapparecchiature lo permettono, la selettivitàlogica tra l’interruttore MT e il dispositivo diprotezione generale BT fornisce unaconsiderevole semplificazione (vedi ”DossierTecnico” n˚ 2: Protezione reti didistribuzione elettrica per mezzo del sistemadi selettività logica).

Esempio

Fig. 17 mostra i livelli di corrente di guastoin un’installazione. Si può osservare che illivello di corto circuito BT varia velocementeesclusivamente a causa dell’impedenza deiconduttori.

6 Protezione interruttore MT,dispositivi di intervento associati


Se si considera che l’interruttore D2 non èlimitatore e che si ha un’impedenza di5 mOhm dal trasformatore (da 15 a 30metri di conduttore BT), la corrente diguasto, che può essere immediatamentestabilita tra i terminali a valle, è circa 16 voltela corrente nominale del trasformatore.Perciò è necessario controllare che laselettività si attui a questo valore di corrente.

La curva standardizzata più veloce(estremamente inversa ), regolata perottenere 20 ms a 20 In, fornisce perciò untempo di intervento uguale a 31 ms. Laselettività è ottenuta se l’interruttore D2elimina il guasto entro 15 ms, per tenere inconsiderazione il tempo di memoria dei relèMT. Nel caso di installazioni complesse,nella distribuzione industriale, è possibileche l’interruttore D2 sia lui stesso ritardatoad alti valori di guasto. E’ perciò necessariousare sui relè MT una modalità operativache consenta la selettività cronometrica, pergarantirsi fino al valore di guasto di 16 In(vedi fig.18 ), oppure usare la selettivitàlogica.

Nel caso di distribuzione pubblica, non sitrovano mai interruttori a cascata senza chel’impedenza tra essi sia abbastanzasignificativa da permettere una selettivitàamperometrica.

Soluzioni pratiche

Le soglie disponibili sui relè solo in casi raricorrispondono esattamente alla correntenominale del trasformatore monitorato, cosache porta ad uno spostamento delle curvedi protezione verso valori di correnti piùelevati. Ciò comporta un incremento delmargine della selettività.

I costruttori possono perciò presentarecurve diverse da quelle delle norme,consentendo così un’operatività megliomirata sulle esigenze operative deitrasformatori.Un dispositivo di protezione dedicato altrasformatore MT deve soddisfare i seguenticriteri:

H deve essere sempre più veloce deldispositivo di protezione MTimmediatamente a monte,

H deve essere il più veloce possibile pervalori di corrente maggiori della corrente dicortocircuito BT (da 20 a 25 In deltrasformatore dipendente da Zcc),

H deve lasciar passare le correnti diinserzione (vedi fig. 19 ),

H deve garantire il monitoraggio della zonadi sovraccarico, oppure della zonaimmediatamente sopra la soglia disovraccarico accettata dall’operatore.

Questo è il motivo per cui è giustificatol’utilizzo di una curva come quella della fig.20, utilizzata in alcuni dispositivi diprotezione integrata del Gruppo Schneider.


Si può notare che una tale curva assicura laselettività con qualsiasi tipo di fusibili BT,poiché questi ultimi attuano sempreun’eliminazione del guasto molto rapida

(dell’ordine di pochi millisecondi) per lecorrenti di guasto vicine alla corrente dicortocircuito della rete BT (vedi fig.21 ).

6.2 Vantaggi dellaprotezione di terra

Il comportamento osservato durante unguasto interno verso terra dipende dalsistema di messa a terra del neutro dellarete MT.

Il rilevamento della corrente residua puòcoprire tutti o parte di questi guasti versoterra. In più, il rilevamento della correnteresidua è sensibile ai guasti tral’avvolgimento primario e secondario, checorrispondono ai guasti di terra rilevati dallarete a monte. Tale protezione è utile per untrasformatore di distribuzione, oltre alle reticon neutro a terra e distribuito. La suasoglia operativa deve essere la più bassapossibile; infatti, ci sono alcune limitazioni:

H deve consentire il passaggio delle”normali” correnti residue. Infatti, in alcunesituazioni di funzionamento della rete, losquilibrio delle tensioni semplici --- inrelazione a terra --- può generare unacorrente residua diversa da zero tra lecapacità parassite del trasformatore edeventuali cavi di collegamento.

Anche al di fuori di una situazione diguasto, tutte le parti di una rete hanno un”naturale” squilibrio capacitivo che generauna corrente residua.

H può essere limitata da errori deitrasformatori nel caso di somma di tremisure della corrente di fase.Le limitazioni tecnologiche dei trasformatoridi corrente e dei dispositivi di protezionerichiedono l’adozione di sogliegeneralmente superiori al 10 % dellacorrente nominale, per evitare interventiintempestivi quando si verificano fenomenitransitori o cortocircuiti.

In alcuni casi, può essere preso inconsiderazione un rilevamento di tipo”earthed tank”, che implica la capacità diinstallare il trasformatore isolato da terra.Tuttavia, questo tipo di protezione ponedelle difficoltà di attivazione, legateall’installazione fisica dei trasformatori e allapossibile distanza tra questi e il dispositivodi protezione. Non viene mai utilizzata per itrasformatori di distribuzione.

6.3 Dispositivi diprotezione indipendente:Time Fuse Links (TFL) erelè

In molte situazioni, in particolare nelladistribuzione pubblica e, naturalmente, nellepiccole installazioni, non è sempreimmaginabile l’uso di un’alimentazioneausiliaria per fare protezione. Infatti, l’usodiretto della BT dal trasformatore nonconsente una risposta semplice a tutte leipotesi di guasto e la presenza di unasorgente ausiliaria porta ad un’installazionepiù costosa e a un’inaccettabilemanutenzione.

Esistono diversi tipi di dispositivi diprotezione senza una sorgente ausiliaria, e ifusibili appartengono a questa categoria.

Con riferimento all’apertura dell’interruttore,si possono individuare tre tipi di dispositivi:

H relè diretti, in cui la corrente monitorataattiva il meccanismo di sgancio per mezzodi un effetto termico o magnetico, senzatrasformatore di corrente


Questo è il caso di molti interruttori BT, ma irelè diretti sono adatti anche a dispositiviMT. Essi tenderanno tuttavia a scomparire,principalmente a causa della loro naturasemplice, la loro mediocre precisione e laloro limitata capacità di regolazione.

H ”Time Fuse Links” sono utilizzatiprincipalmente dai Britannici (vedi fig.22 ).In normali condizioni operative, la bobina ècortocircuitata da un fusibile BT, che vieneutilizzato per determinare i parametri diprotezione. In caso di guasto, avviene lafusione e la corrente secondaria deltrasformatore di corrente attiva la bobina.Questo principio di base è semplice edefficiente. Tuttavia, ciò implica la sostituzionedei fusibili e offre soltanto la scelta dicaratteristiche limitate legate alle curve difusione del fusibile.

La protezione verso terra può essereeffettuata con una bobina posizionata sulconduttore comune dei trasformatori dicorrente. Poiché in questa sezionenormalmente la corrente è zero, non c’è ilfusibile collegato in parallelo su questabobina.

H Relè elettronici autoalimentati, nei qualil’energia necessaria per l’interventoelettronico e dell’interruttore viene dalsecondario dei sensori. Questi relè sonoassociati a dispositivi di sgancio a bassaenergia, di solito con blocco magnetico, cherichiede il riarmo da parte del comandostesso dell’interruttore.Questi relè sono spesso associati a sensori,appositamente progettati per questo tipo diapplicazione, meno voluminosi e menocostosi dei trasformatori di correntestandard.

La catena di protezioni così formata puòessere integrata in una dataapparecchiatura, e consente di offrire unasoluzione globale, con possibilità miglioridelle soluzioni del relè diretto o del TFL.

I livelli di prestazione offerti copronovirtualmente tutti i casi di installazione,usando curve standard o del costruttore, econ ampi campi di regolazione.Il principio è tuttavia limitato nei bassi valoridi soglia, a causa della mancanza dienergia nel caso di basse correnti MT, ameno che non si usino voluminosi sensoridi corrente, il cui costo sarebbe proibitivo.

Gli attuali limiti di corrente (1998) per ilfunzionamento autonomo sonoapprossimativamente di 10 A. Si possonousare valori di soglia di ”guasto a terra” piùbassi, ma non saranno attivati, a meno chela corrente di carico---corrente di fase siasopra il limite di funzionamento autonomo.

6.4 Dispositivi diprotezione conalimentazione ausiliaria:GRPT, sensori ditemperatura e relè

Quando si decide se la sorgente ausiliariadeve alimentare tutte o una parte dellefunzioni di protezione, è possibile usarealtre informazioni che le sole misure deivalori elettrici. La BT del trasformatoremonitorato può fare queste funzioni, se laprotezione contro i cortocircuiti è assicuratada un meccanismo indipendente.

Per i guasti che non causano ancora unanotevole sovratensione o che portano asituazioni di sovraccarico, esistono dueapplicazioni molto usate: i GRPT e i sensoridi temperatura.


H Il GRPT, acronimo inglese per ”GaseousRelease, Pressure, Temperature”(rilevamento emissionegas---pressione---temperatura) è utilizzatoper i trasformatori in olio e sigillatiermeticamente e riunisce in un unicodispositivo ausiliario il controllo di questiparametri. Esso include quindi la funzionedi pressostato, di termostato, eventualmentecon due soglie, ed un meccanismogalleggiante, che reagisce ad un’anomalapresenza di gas. Può essere usato per itrasformatori a immersione sigillatiermeticamente. Numerosi contatti sonodisponibili per i diversi eventi che possonoaccadere (vedi fig. 23 ).

La funzione di monitoraggio del gas daparte dello sganciatore agisce anche incaso di accidentale perdita di liquidodielettrico, con funzione preventiva.

Queste funzioni si limitano a fenomeni lenti.I guasti a veloce progressione, cherichiedono una risposta veloce, hannobisogno ancora di un controllo tramite relèin termini di analisi dei valori critici.

H I sensori di temperatura, normalmenteassociati a trasformatori a secco, fornisconoinformazioni precise sulle sollecitazionitermiche interne. Essi sono combinati conprocessori elettronici che possono gestirevarie soglie (allarme di sovraccarico,distacco del carico, sgancio). Questeinformazioni vengono usate dal sistema dicontrollo per gestire le apparecchiature nellevicinanze. In più, un’alimentazione ausiliariafornisce l’accesso a bassi valori diprotezione della soglia bassa, per guastiverso fase o verso terra.

Quando un relè alimentato da una sorgenteausiliaria attua le funzioni di protezione dibase (compresa la protezione contro icortocircuiti), è essenziale avere disponibileun’alimentazione di scorta. Ciò assicura lacapacità di gestire tutte le situazioni diguasto, con qualunque BT durante ilguasto. L’esistenza di una sorgente discorta, così come il monitoraggio e lamanutenzione ad essa associati,costituiscono un vincolo pesante che limital’uso di tali dispositivi ad installazioni chehanno già a loro disposizione, per altreragioni, un’alimentazione di scorta. Perquesto motivo, tali relè si trovano solo nellecabine del settore industriale o terziario.


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La scelta della protezione di trasformatori didistribuzione (MT/BT) è una materiarelativamente complessa, dal momento chedeve tenere conto di un grande numero diparametri e che diverse scelte tecnichepossono essere adatte e fornire lo stessotipo di protezione.

Il trasformatore di solito è specificatoall’inizio. Comunque, al di là dei criteri legatiai requisiti di funzionamento deltrasformatore, come la potenza o le tensionidi servizio, oppure i requisiti legati allecondizioni di installazione (presenza diarmoniche, rischio di sovraccarico), l’utentedovrà definire la propria scelta in termini dipolitica di funzionamento e protezione:

H la sicurezza delle persone edell’impianto, oppure effetti esterni in casodi guasto,

H continuità di servizio o aspettativa di vitadell’apparecchiatura,

H costo dell’investimento rapportato allaprobabilità di guasto.

Dal momento che i dispositivi di protezionea valle del trasformatore dipendonodirettamente dal tipo di rete BT e dallecaratteristiche di carico, essi sononormalmente definiti prima dei dispositivi diprotezione a monte.

La scelta dei dispositivi di protezione usaticon il trasformatore viene effettuata inquesto momento; è poi richiesto unprocesso iterativo per garantire la coerenzadell’intero sistema: trasformatore, dispositivodi protezione BT e dispositivo di protezioneMT (vedi fig. 24 ).

Le varie opzioni di protezione sono elencatenello schema a blocchi mostrato nel retro dicopertina. Esso mostra le diverseinterrelazioni tra le scelte tecniche e illustraanche l’approccio

7 Conclusioni


multilaterale necessario per determinarequale dispositivo di protezione usare. Latabella di fig. 25 fornisce una visioned’insieme dei possibili criteri tecnici. Essasottolinea la complessità delle interazioni el’assenza di una soluzione ideale e assoluta.

Infatti, i dispositivi di protezione MT sonoparte integrante dei quadri e la scelta puòessere falsata da altri criteri. Per esempionella valutazione se utilizzare quadrimodulari o compatti, la scelta spesso vienefatta sulla base di criteri non legati allaprotezione dei

trasformatori, come l’ambiente o la futurapotenziabilità, che porta a possibili soluzionieconomicamente molto diverse.Certamente, l’utilizzo di fusibili nellatecnologia dei quadri compatti implica il loroposizionamento in sistemi sigillati, chesignifica un costo extra. Con una taletecnologia, una soluzione con uninterruttore diventa particolarmentecompetitiva. Al contrario, le gamme diquadri modulari offrono soluzioni confusibili, più economiche delle soluzioni coninterruttore.


Le guide alla scelta fornite dai costruttori difusibili e di apparecchiature tengono contodelle seguenti regole, per la parte che liriguarda, così come tutte le particolaritàdell’apparecchiatura in questione(costringendo alla modifica delle condizionidi raffreddamento dei fusibili, per esempio)(vedi IEC 787).

Irt : corrente nominale del trasformatore.IccBT: corrente del primario in caso dicortocircuito BT.

Irf : corrente nominale del fusibile.

If (t): corrente che porta alla fusione neltempo t (curva caratteristicatempo---corrente del fusibile).

I3: minima corrente di interruzione delfusibile.

Regole per evitare lafusione intempestiva

H Sopportare la corrente di servizio ( edeventuale sovraccarico)

1.4 Irt < IrfH Sopportare le correnti di inserzione

12 Irt < If (0.1s)

Regole per eliminare unguasto BT di forte entità

H Intervenire prima della distruzione deltrasformatore

If (2s) < IccBT

Regole per il correttofunzionamento delfusibile in assenza dicombinato

H Non azionare il fusibile nella zona critica.

Gestire le situazioni con Irf < I < I3usando mezzi complementari.

Regole dicoordinamento pergarantire il correttofunzionamento di uncombinato interruttore dimanovra---fusibile

(vedi IEC 420)

ts: minimo tempo di apertura del combinatocausato dal percussore.

td: tempo di apertura del combinato sottol’azione di un dispositivo di sgancio.

I4: corrente di trasferimento nominale delcombinato.

I5: corrente di scambio nominale delcombinato.

Non sollecitare l’interruttore di manovra al dilà dei suoi livelli di prestazione: corrente ditrasferimento minore del valore nominaleItrasferimento < I4.

Vedi Appendice 2 per calcoli dettagliati.

H Non sollecitare l’interruttore di manovraal di là dei suoi livelli di prestazione:corrente di trasferimento minore dellacorrente in caso di guasto tra i terminali BT,

Itrasferimento < IccBT.

(questa regola non copre tutti i casi diguasti, ma solo quelli che riguardano duefasi sul lato BT).

H Non sollecitare l’interruttore di manovraal di là dei suoi livelli di prestazione:corrente di trasferimento minore dellacorrente nominale

1.065 If (td + 0,02 s) < I5Vedi Appendice 2 per calcoli dettagliati.

Appendice 1: Regole che governano lascelta di un fusibile per la protezione

di un trasformatore


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Corrente di trasferimento Per caratterizzare i limiti operativi di undispositivo combinato, la ricerca delle piùsevere condizioni porta a considerare leseguenti operazioni (vedi fig. 26):

H quando è sottoposto ad una corrente diguasto Id, il primo fusibile che fonde èquello sul limite minimo della curvatempo---corrente,

H gli altri due fusibili sono sul limitemassimo e sono sottoposti, a partire dalmomento di interruzione della prima fase,ad una corrente con un valore ridotto di0,87 Id .

La norma IEC420, che tratta di questidispositivi combinati, fornisce un calcolodettagliato che porta alla seguenteconclusione: la corrente di trasferimento è lacorrente che corrisponde al tempo difusione alla caratteristica minima uguale atIt = 0,87

α x ts / (1,13α --- 1)

dove ts è il tempo di apertura del dispositivocombinato sotto l’azione del percussore, e”α” è la pendenza della curva caratteristicatempo---corrente del fusibile vicino al puntopreso in considerazione (vedi fig. 27).

Un calcolo iterativo, di pochi passaggi, è disolito necessario a causa della variazione dipendenza lungo la curva caratteristica. Sipuò usare il valore ts come valore iniziale ditIt per tale iterazione (vedi fig. 28 ).

I parametri costruttivi dei fusibili possonovariare da un calibro all’altro all’interno dellastessa gamma. Per esempio, nella gammaFUSARC di Merlin Gerin, il coefficiente αvaria da 2,2 a 5,2;

Appendice 2: Calcolo delle correnti ditrasferimento e di scambio

di un combinato interruttore dimanovra-- fusibile


la corrente di trasferimento di ciascunfusibile usato nel combinato deve essereminore della corrente di trasferimentonominale del combinato.

Esempi numerici:

Si consideri un combinato interruttore dimanovra---fusibile equipaggiato con fusibili80 A/24 kV, in cui il tempo di apertura dopol’intervento del percussore è 60 ms (ts).Se si scelgono fusibili SIBA, la pendenzache si ottiene dalla curva caratteristica è a =3.32; questo ci fornisce un tempo, dallafusione al trasferimento, uguale a:

tIt = 0,873,32 x 60 / (1,133,32 --- 1) =75,5 ms

oppure, come da curva di fusione,It = 850 A.

Se si scelgono fusibili Merlin Gerin, il valoredi α = 3,34 è simile. La corrente ditrasferimento si ottiene dalle curve difusione, It = 800 A. Entrambi i tipi di fusibiliusati in un combinato RM6 hanno perciò unfunzionamento equivalente.

Consideriamo ora lo stesso combinatoequipaggiato con fusibili 125 A/12 kV. Nelcaso di fusibili SIBA, le curve ci danno uncoefficiente ”α” uguale a 3.1 con un tempodi fusione di 85 ms. La corrente ditrasferimento è perciò di 300 A. Nel caso difusibili Merlin Gerin, le curve indicano ”α ”uguale a 2,65 , ossia un tempo di fusione di108 ms. La corrente di trasferimento èperciò di solo 870 A. In questo caso lascelta dei fusibili influisce fortementesull’interruttore del combinato, anche seentrambi i valori possono essere consideratiaccettabili.

Corrente di scambio La corrente di scambio nominale di uncombinato (indicata da I5) è la massimacorrente di scambio accettabile. Ilcostruttore dell’apparecchiatura fornisce itempi di apertura td dell’interruttore sottol’azione del dispositivo di sgancio. Tutti ifusibili usati nel combinato devonorispettare la corrente di scambio nominale(vedi fig. 29 ).

Il caso più grave, per un dato fusibile, ècaratterizzato come segue:

H intervento ”istantaneo” del relè esterno;le funzioni standard impiegano un tempo direazione di 20 ms per tali interventiistantanei. Il tempo di apertura che ne risultaè perciò il tempo di apertura del combinatosotto l’azione del dispositivo di sgancio (td)aumentato di 20 ms;

H un fusibile a freddo e al massimo delleproprie tolleranze (la norma considera chela tolleranza per la curva di fusione è ±10% della corrente, che consente l’uso di unvalore di due deviazioni standard, oppure ±6,5 %).

La corrente di scambio si ricava dalla curvacaratteristica tempo---corrente sotto le citatecondizioni, con il tempo di fusione pari a td+ 20 ms.


Altre pubblicazioni

H Trends in distribution transformerprotection, Blower / Klaus / Adams, IEEconference, 90/04.

H Tenue des transformateurs en cas dedéfauts internes, Raux / Leconte / Gibert,CIRED 89.

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Norme

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Dossier tecnici Schneider

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H Calculation of short---circuit currents,Cahier Technique n˚158, B. De MetzNoblat.

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Bibliografia

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