Sistemidi protezioneCOMBIFLEX@

per generatori

Indice

PaginaPremessa

Principi di messa a terra del neutra del generatore 3

4

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I sistemi di protezione ASEA per ger\eratoriconsistono essenzialmente di unitå estraibiliche garantiscono:

Ottima protezione con minima ingomlbroGrande flessibilitå di montaggio e di

cablaggioFacilitå di installazione, Imodifica oampliamentoSemplicitå di prova e di manutenzioru~Minima esigenza di parti di. ricambio

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Origine di disturbi e guasti

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67

10

)

14

.)

Sistemidi protezione

Elenco delle protezioniProtezione per guasti esterni

Protezione di massima tensioneProtezione dimassima correnteProtezione contro sovraccarichi termiciProtezione contro carichi asimmetrici (N.P.S.

Protezione degli avvolgimenti statorici

Protezioni contro guasti versa terraProtezione differenzialeProtezione contro guasti tra spireProtezione antincendio (CO,)

Protezi9ne dej circuit,di campa

Protezione contro guasti a terra sul rotoreProtezione contrO 1a perdita di eccitazione

Varje forme di protezioni meccaniche

Protezione d, sovravelocitåProtezione contro vibrazioniProtezione dej cuscinett)Protezione contro il ritarna d'energia

Esempi di applicazione dej reledi protezione

Considerazioni generali

Schemi efettrici

Elenco dej simboli

18

18

19

15960

PannellG tlpico per protezione di turbo-generatore di !~rande potenza

Sovratensioni

Sovratensioni di origine atmosfericaSovratensioni di manovraGuasti 1ntermittenti versoterra

SovracorrentlGuasti esterni

ISov!ac.cari.co ter~i~oCarlcht aSlmmetrlcl

Guasti agli avvo.\glmenti

Avvolgimenti dello statoreG t, tuas I verso erraCorto circuiti..GuaStl fra le splre

Avvolg1menfö di campoGuasto di isotam:entoEccitazione ridotta

Guasti meccanici vari

Premessa

I generatori sono macchine progettate per tunzionare alungo con un elevato tattare di carico e per consentiredeterminate incidenze di condizioni di lavoro anormaleche pero devono essere limitate al minimo.rLe condizioni normali d'esercizio, pertanto, devono essereten ute satta controllo per mezzo di sensibiii rivelatori ditemperatura ad azione diretta allo scopo di evitare tem-perature d'esercizio inutiimente elevate che potrebbero darluogo ad un invecchiamento prematura dej materiali iso-lanti. Oltre a questi rivelatori vengono installati dispositivimeccanici per il rilevamento di vibrazioni, bassa pression ed'olio di lubrificazione, mancanza del mezzo refrigerante.ecc, Inoltre, i transitori di tensione di origine esterna e ipicchi di tensione vengono limitati dagli scaricatori e dacondensatori. La manutenzione della macchina, del suomatare di azionamento e delle apparecchiature ausiliarieviene eseguita secondo un certo programma. In breve, pergarantire la continuitå di erogazione e per migliorare ladurata prevista del generatore si ricorre a tutti i mezzi

disponibili.

D'altro canto, i grand i generatori che richiedono trasfor-matori elevatori di tensione sonD, nella maggior parte dejcasi, dotati di resistore di neutro che fornisce una correntedi guasto verso terra di soli 5-15 A. II motivo di questaapparente contraddizione pua esse re spiegato ricordandoi vari metod i per realizzare la protezione contro il guastoverso terra. Di norm a, la corrente di guasto di terra dellostatore dovrebbe essere limitata a 5-15 A per ridurre alminimo la bruciatura dej lamierini del nucleo. Con unacorrente cosi bassa, e accettabile (anche se cia non econsigliabile) I'esistenza di un guasto verso terra perquaiche minuto senza che si provochino danni tali darichiedere costose riparazioni. quali ad esempio la sostitu-zione dell'isolante fra i lamierini del nucleo.II neutro del generatore, o della rete, non deve essereisolato da terra in quanto questo potrebbe causare sovra-tensioni transitorie eccessive durante i guasti intermittentiverso terra. Oueste tension i transitorie, tuttavia, si man-tengono entro limiti accettabili se il generatore, o il neutrodella rete, e messo a terra attraverso un resistore chelascerå passare una quantitå di corrente pari a quellacapacitiva totale della fase. Se att ra vers o il resistore vienefatta passare una corrente relativamente superiore, si avrasol tanto una leggera riduzione delle sovratensioni.Secondo la teoria fondamentale degli archi a terra. ilresistore di neutro deve essere unicamente resistivo, conun.induttanza minima. I resistori standard ASEA sonD,infatti, costruiti per collegamento diretto al neutro senzariccorrere ad uno special e trasformatore per distribuzione(v. Fig. 1). Poiche la protezione contro i guasti verso terradel generatore la «scattare.. la macchina nell'arco di unsecondo, i resistori di messa a terra del neutro possonoesse re del tipo a breve durata e con un tempo standard di10 secondi.

~

'-

Le condlzloni anormali con guasti interni o esterni, sonacontrollate per mezzo di rele di protezione. aventi lo scopodi fornire una protezione primaria rapida ed una protezionedi riserva selettiva ritardata. .

Le specifiche relative all'adozione di diversi tipi di rele diprotezione non sona trattate in alcuna norma accettatainternazionalmente. Pertanto. la cosidetta pratica standarduniversale pu6 variare su determinati punti da Paese aPaese ed anche fra societå operanti in questo settorenell'ambito della stessa nazione. Spe55o questo dipendedalle passate esperienze e dai diversi modi di interpretarele statistiche sui guasti. E' accettato universal mente. tutta-via, che non epossibile "super-proteggere» una macchinaper ottenere il 100 % di sicurezza. in quanto I'adozione diapparecchiature supplementari concorre ad accrescere il

pericolo di possibili guasti.Progettando con cognizione di causa i sistemi di protezione.si ridurranno al minima i danni al personale e nel puntodel guasto, nonche il tempo n~essario per rimettere infunzione la macchina. I costi per i rele e per i relativ iquadri. completi dej necessari collegamenti interni, sona in-

fatti trascurabili rispetto al costa globale dell'impianto.

1.1 Principi di messa a terra del neutra del generatore

II sistema di messa a terra del neutro del generatore varia

notevolmente da Paese aPaese. dipendendo dall'esperien-za fatta, dalta protezione a mezzo rele del guasto versoterra e dalle norme delle societå per I'enerl~ia elettrica.Nel caso di piccoli gruppi generatori (10-30 MVA) colIe-gati direttamente alla rete di distribuzione, si pu6 rilevareche la corrente nominale del resistore di neutro e la cor-rente di guasto verso terra varia da 10 A a pill di 1000 A.

(68019)

Flg. 1 Reslstore dl messa a terra del neulro del gener.tore del lipaa bre'le durala e con raffreddamento ad aria (15/13 kV. 5 A, 10 sec)

Nel caso di generatore collegato in monoblocco al relativa

trasformatore, si avranno nel neutra del generatore tensioniparassite durante un guasto versa terra nella fete ad alfatensione. Ouesto dipende dall'accoppiamento, capacitivofra gli avvolgimenti di alfa e bassa tensione del trasfor-matare elevatore.L'entita delle suddette tensioni parassite dipende:

a) dal sistema di messa a terra del neutra della fete adalfa tensione, cioe francamente a terra o tramite reat-tanza (bobina di Petersen)

b) della capacitå fra gli avvolgimenti del tr,asformatoreelevatore.

c) dal valore ohmico del resistore di messa a terra delneutra del generatore.

Ouando la fete ad alfa tensione e collegata direttamentea terra, la tensione ai capi del resistore di mes~,a a terra -

durante un guasto versa terra ad alts tensione -saraminima, per cui normal mente viene trascurata. Se invece, lafete ad alts tensione e messa a terra tramite una bobina diPetersen, la tensione di spostamento del neutro del gene-ratore pu6 raggiungere il valore di taratura della prote-zione contro i guasti versa terra. Ouesto problems deveessere esaminato per ciascun impianto particolare e pu6essere risolto sia aumentando la taratura del rele di pro-tezione contro guasti versa terra, sia riducenclo il valoreohmico del resistore di messa a terra del generatore.

2.2 SovracorrentlGuastl esterni. Durante i guasti estern i con toni correntidi cono-circuito, gli avvolgimenti dello statore vengonosottoposti a notevoli sollecitazioni meccaniche. Se nell'av-volgimento ci sono gia dej ditetti meccanici, questi possonoaccentuarsi ulteriormente. L'aumento di temperatura, tutta-via, e relativamente lento e si possono raggiungere liveiii di

temperatura pericolosi dopo 10 secondi circa. Con guastiasimmetrici, si possono registrare torti vibrazioni e surri-scaldamento del rotore.Sovraccarico termlco. Un sovraccarico continuato pu6 tareaumentare tal mente la temperatura negli avvolgimenti chepu6 causare danni all'isolamento, riducendo cosi la susdurata.Ca rico non bIlanciato. I carichi squilibrati, pari o superiorial 10 % della corrente nominale, determinano un riscalda-mento pericoloso del rotore cilindrico nej turbogeneratori.Spesso i rotori a poli salienti degli alternatori accoppiatia turbine idrauliche sono dotati di avvolgimenti smorzatori,per cui sono meno sensibiii ai carichi squilibrati (correntidi sequenza inversa).

()

I

2.3 Guasti agli avvolgimenti

I guasti negli avvolgimenti della statore possono esserecausati da rotture dell'isolamento fra conduttori e nucleodi ferro, fra conduttori delle varje fasi o fra spire dellastessa fase. In alcuni casi, inoltre si pu6 verificare (nellemacchine vecchie) un'interruzione o una rottura in corri-spondenza di giunti saldati.

2. Orjgine di disturbi e guasti

2.3.1 Avvolglmento della statore

Guastl versa terra. Di solito questo inconveniente si veri-fica nelle cåve dell'armatura. lIdanno nel punto del guastoe in stretta relazione con la corrente nominale scelta peril resistore di messa a terra del neutra. Con correnti diguasto inferiori a 20 A, si avranno bruciature trascurabilinel nucleo se la macchina viene esclusa nel giro di quaichesecondo (V. Fig. 2). II lavoro di riparazione, pertanto, con-sisterå soltanto nella sostituzione della bobina danneggiatasenza dover sostituire la mica fra i lamierini del nucleo.Se, invece, il resistore di messa a terra e tale da far passareuna corrente di guasto versa terra malta piu elevata(>200 A), nel nucleo della statore si avranno delle bru-ciature tal mente forti da richiedere la sostituzione dellamica fra i lamierini. Anche quando si usa una protezionedifferenziale ad alts velocitå contro i guasti versa terra,si possono registrare gravi danni a causa dell'elevata co-stan te di tempo del circuito di campa, e del tempo relativa-mente lunga richiesto per annullare completamente ilflusso di campa. Nel caso di elevate correnti di guasto ver-so terra, pertanto, e pratica comune instalIare un interruttoresul neutra del generatore allo scopo di ridurre il tempototale di eliminazione del guasto.

to.-

2.1 SovratensioniLe sovratensioni di orlgine atmosferlca sona dovute a ful-mini che si scaricano sulle linee aeree ad sita tensione.Tali picchi di tensione, indotti o trasferiti capacitivamente,possono raggiungere anche il generatore attraverso il tra-sformatore riduttore (V. opuscolo 7533a). L'ampiezza e ladurata di tali picchi sul Iata bassa tensione dipende dallipa di scaricatori impiegati sul Iata BIta tensionE~ ed anchedalla disposizione reale della sbarra di distribuzione dialla tensione.Per proteggere i generatori contro elevati picchi di ten-sione, spesso si usano scaricatori e condensatori. Nel Gasadi piccole macchine collegate direttamente ad una retedi distribuzione comprendente linee aeree, I'installazione diapparecchiature di protezione del tipo suddetto e di im-

portanza capitale.

Plcchl dl tenslone dovuti a commutazlone. Le op,erazioni dicommutazione possono dare origine a sovratensioni tran-sitorie relativamente elevate se si verificano rimbalzi fra icontatti degli interruttori. Queste tension i transitorie sonasimili a quelle che si hanna durante i guasti Vl3rso terra,(archi a terra) e possono esse re limitate con I'impiegodi moderni interruttori. Anche I'installazione di :scaricatorifra I'interruttore del generatore ed il generatore ~;tesso puocontribuire alla riduzione parziale dej picchi di commuta-zione pill alti. Cortoclrcultl fra gli avvolgimenti della statore si verificano

malta raramente in quanto I'isolamento in una cava fra lebobine delle varje fasi e almeno doppio di quello fra unabobina ed il nucleo. Se si dovesse verificare un guasto frafase e fase, e malta probabile che questo sia localizzato nejterminali degli avvolgimenti dell'armatura, cioe nelle partiche sporgono dalle scanalature. Un'interruttore di questogenere då origine ad un forte arco con conseguenti elevatetemperature, fusione del farne e pericolo d'incendio seI'isolamento non e realizzato con materiale non infiamma-

Guastl Interml"entl versa terra. L'entitå del le tensioni tran-sitorie durante gli archi a terra pub in teoris, nolle condi-zioni pill sfavorevoli di archi dovuti a rimbalzi, essere 5volte pill alts della tensione normale di picco fra linea eneutra. Per mezzo della suddetta messa a terra a resisten-za del neutra del generatore queste sovratensioni sarannoridotte ad un valore massimo. -pari a 2,5 volte la tensionenominale di piGGa.

4

bile, come ad esempio il Mikapact~. Poiche in questo casola corrente di corto circuito non passa ,attraverso il nucleodella statore. i lamierini non verranno danneggiati in modoparticolare. II lavoro di riparazione. perlanto. potrå esserelimitato alla sostituzione delle bobine rovinate e delle partimeccaniche della struttura.

2.3.2 Avvolgimento dl campa

Guasto dl Isolamento. Un solo guasto versa terra nell'av-volgimento di campa, e nej circuiti annessi, provoca I'insor-gere di una trascurabile corrente di guasto per cui nonrappresenta un pericolo immediato. Se, invece, si dovesseverificare un secondo guasto versa terra, si avrebbero unrapido aumento della corrente di guasto ed una fortesollecitazione che comporterebbero gravi danni. E' essen-ziale, quindi, poter essere informati all'insorgere dellaprima interruzione dell'isolamento e conseguentementemettere fuori servizio la macchina il pill presto possibile.

Eccltazlone ridotta. Pu6 essere ottenuta a causa di uncorto-circuito o di un circuito aperto nel campa e nejcircuiti dell'eccitatrice. oppure a causa di un guasto nelregolatore automatico di tensione (AVR). Se si crea uncircuito aperto per effetto dell'apertura invofontaria dell'in-terruttore di campa, una macchina funzionante a pienoca rico and rå rapidamente fuori sincronismo « 1 secondo)e funzionerå come un generatore ad induzione al di sopradella velocitå di sincronismo, assorbendo potenza reattivadal sistema. Per evitare che questo determini instabilitå nelsistema, normal mente I'ASEA prevede un circuito di inter-scatto attraverso i contatti ausiliari, per cui I'aperturadell'interruttore di campa determina lo scatto dell'inter-rullare del generalore.

-f

Guastl fra le splre o corto-circuiti fra le spire di una bobinapotranno verificarsi se I'avvolgimento della statore e realiz-zato con bobine multi-spire. Tali guasti possono esse recausati dai picchi di corrente in entrata con un fronted'onda ripido che puo determinare uin'elevata tensione(L di/dt) fra le spire all'entrata dell'avvolgimento dellastatore.

Se, invece, I'avvolgimento della statore consiste di bobinemona-spira, con una sola bobina per cava, e impossibileovviamente ave re un guasto fra le spire. Se vi son o duebobine per cava, I'isolamento fra le bobine e tale che eimprobabile si verifichi un guasto fra le spire.Per le grandi macchine (>50 MVA), normal mente I'ASEAadotta bobine mona-spira; negli USA ed in CanadA, invece,si usano bobine pluri-spire, per cui sta diffondendosisempre piu la protezione contro corto-circuiti tra spi re.

~

Durata del guast.seco

~2.4 Guastl meccanlcl vari

Oltre i suddetti guasti elettrici. il funzionamento di unamacchina pub esse re infirmato da difetti meccanici rela-tivamente trascurabili nelle apparecchiature ausiliarie con-nesse al gruppo motore. Nelle pagine che seguono vengonoillustrati alcuni fra i pill importanti tipi di dispositivi di pro-tezione.

~Sovr8velocIt6. Si pu6 veriflcare in conseguenza di unguasto ner regolatore della turbina o nelle apparecchiatureausiliarie. Se I'interruttore principale del generatore scat-ta quando si sta immettendo in rete la massima potenza.il regolatore provvede ad annulIare il pericoloso fuori-giri.E' essenziale pertanto, che il regolare funzionamento delregolatore sia controllato da alcuni dispositivi di protezione

supplementari.

Vlbrazlonl. Possono generarsi a causa di carichi squilibratio di determinati tipi di guasti meccanici. Di solito i rivelatoridi vibrazioni vengono montati sul supporto del cuscinettodel generatore.

Eccesslva temperatura nel cusclneUo. Pu6 essere prodoUada guasti meccanici, impuritå nell'olio lubrificante o dadifetti nell'impianto di circolazione dell'olio. Ouesti incon-venienti possono esse re rilevati per mezzo del rivelatoretermico incorporato nel cuscineUo.

Flg. 2 RI.ultatl dl prove mo.trantl gli elfelll dl brncla\ura per elfellod'erco .ul lemlerlnl del nucelo detlo .tatore dUI"8nte gue.tI versoterra.

5

Protezione per guasti esternl (protezione di riserva)

59 Sovratensione istantanea+ temporizzatoreSovracorrente istantan i a

+ temporizzatore

Sovracorrente IDML T iImpedenza (o/C)Sovraccarico termicoRivelatore temperaturaSequenza inversa

AXEG 2AXKB1AXIG2+ AXKB 1AXIDF 2HAAKZAAXVE4AANVARAAIO

RK 41-10RK 31-14RK 41-10RK 31-14RK 47-11RK 65-52RK 481-300RK 84-10RK 649-300

51

5121494946

Correntl nel cusclnetto. Nell'albero del generatore si puocreare una forza elettromotrice dell'ordine dli quaiche voltdovuta a determinate dissimetrie magnetiche nel campadell'armatura. Se i supporti del cuscinetto Stl ciascun Iatadel generatore sona a massa, la f.e.m. indotta sarA conte-nuta nel sottile vela di olja all'interno dej cu~:cinetti. Un'in-terruzione dell'isolamento della pellicola d"olio nej duecuscinetti puo comportare la creazione di elevate correntinej cuscinetti stessi a causa della piccolissirna resistenzafra albero e circuito esterna creatasi in ques1:o modo.Di conseguenza, il supporto del cuscinetto piu vlcino algruppo matare viene solitamente isolato da tlerra e I'isola-mento e controllato da un apposito rele.Inoltre, per evitare che il rotore e I'albero si carichinoelettrostaticamente, di solito I'albero e collegato a massatramite un anello di contatto ed un resistore da 200 ohm.Questo provvede anche ad assorbire la corrente di disper-sione alternata iniettata per realizzare la protlezione controi guasti versa terra del circuito di campa.

~

Protezione avvolgimento statore (guasti interni,protezione primaria)

Trasclnamento di un generatore. Si crea tale condizione sela coppia motrice del matare di azionamento dliviene minoredelle perdite total i dell'unitå turbogeneratrice. Pertanto permantenere un funzionamento sincrono.. dana fete verråprelevata della potenza attiva ed il generaitore lavoreråcome un motore sincrono. Se si manterranno queste con-dizioni per un certo periodo (superiore a 20 secondi). sipotrå avere un forte surriscaldamento delle palette dellaturbina a vapore. a seconda del tipo della turbina e d,ejlimiti di progetto imposti dal costruttore.

RK 41-10RK 31-14RK 41-10RK 31-14RK 646-300

~

RFR1116

59 N Tensione di neutra r AXEG 2+temporizzatore I AXKB 1

51 N Corrente di neutra I AXIG 2

+temporizzatore AXKB 187 G Differenziale di generatore AADHA87 T Differenziale globale

(generatore+ :trasformatore) L AADSE

60 Bilanciamento di tensioi,e,guasti tra spire della

Istessa fase AXEG 2 RK 41-10

RXNB4RAGPC

RK 64-10RK 641-303

Protezione circuiti di campo-

64 Terra rotore40 Perdita di eccitazione I

Protezioni varje I

12::14 Rivelatore di velocitå

Frequenza-Protezione contro le

vibrazioni38 Corrente nell'albero

(isolamento cuscinetti)32 Potenza inversa

RAGNARXFE4

RFR 1168RK 545-300

-RARIC

RXPE4+ RXKT 2

RK 51-10RK 31-10

3. Sistemi di protezione

I rele di protezione dell'ASEA, realizzati carl componentielettronici di misura, sona montati nel sistema modulareCOMBIFLEX(8) che consente migliori possibilitå, che non inprecedenza, per la combinazione standardizzata di unitå difunzione al fine di formare equipaggiamenti e sistemi di

protezione completi.Ogni protezione e corredata di presa di prova COMBITESTche consente il controllo rapido, sicuro e senza necessitådi smontaggio, in quanto epossibile bloccare in qualsiasimomento circuiti d'intervento separati o una protezionecompleta -oppure la misura facile e senza pericoli dellecorrenti d'esercizio.II sistema modulare COMBIFLEX e presentato brevementenell'Opuscolo RK 92-200 E, mentre i componenti, i metod i dicollegamento, le dimensioni d'ingombro, ecc. son o descrittidettagliatamente nej Catalogo RK 92-10 E. II sistema di pro-va COMBfTEST e illustrato nej Catalogo RK 9:2-11 E.

l

Prova con liCOMBlTEST. InserimenIo della maniglia dl provaRTXH 18 nella presa dl lipo RTHP 18.

6

3.2 Protezione per guasti esterni (protezione diriserva)

zione del rele di massima tensione e quindi tra 1,15 e 1,2volte U. e con un ritardo di 1-6 seco ,In precedenza, quando venivano usati trasformatori ditensione isolati in olio, era consuetudine inserire fusibilisul Iata primario del TV in modo da provvedere una certs

protezione per guasti de11'avvolgimento interna nel regola-tore automatico di tensione. Una rottura di un fusibile,

comunque, potrebbe essere vista dal regolatore di tensio-ne come una grave diminuzione di tensione nel sistema e

potrebbe verificarsi una sovraeccitazione di campa. Seil rele di massima tensione tasse stata collegato allo stes-so TV con secondario aperto, il conseguente aumentodi tensione ai terminal i non potrebbe esse re rivelato. Inun piccolo sistema cio potrebbe condurre ad una sovra-tensione sostenuta epericoiosa. Percio si usano due se-rie di TV, ciascuno col propria fusibile, permettendo un'a-limentazione separata del regolatore di tension e e del reledi massima tensione.Con i nuovi TV isolati in resina, il fusibile primario e in-fatti pill esposto a guasti del TV e pertanto e normalmen-te omesso. Nelle nuove installazioni, pub venire usata unasola sezione del TV, con un interruttore di protezione in-serito in ciascuno dej circuiti secondari. Ouesti interrut-tori sona provvisti di contatti ausiliari, che possono essereusati per interblocco (commutando .il RAT dal comando au-tomatico a manuale) e per segnalazione nel caso di unguasto nej circuito.La protezione di sovratensione (59) normalmente compren-de un rele statico di massima tensione tipo RXEG 2, con unsita rapporto di ripristino ed un rele a tempo tipo RXKB 1con scala regolabile tra l' e 10 secondi.

3.2.2 Protezione di massima corrente

La protezione di massima corrente a tempo dipendente o atempo indipendente e stata usata per lunga tempo comeprotezione di riserva per guasti estern i sostenuti. Se ilrele di masslma corrente e alimentato attraverso un TAsul Iata neutro del generatore. esso agirå come protezionedi riserva nel caso di guasti intern i quando il generatore escollegato dal sIstema. Se il TA e situato sul Iata linea del

3.2.1 Protezlone di massima lensione

Duranie "avviamenlo di un generalore, prima della sincro-nizzazione, la tensione corrella d'uscita e ottenuta allraversoun regolatore aulomalico di lensione (RAT). Dopo la sincro-nizzazione, la tensione d'uscila della macchina sarå impo-sia dal propria RAT ed anche dallivello di lensione del si-slema e dai regolalori di lensione delle macchine vicine.Generalmenle, i dati di targa di una macchina sona mollapiccoli in confronto al sistema interconnesso. Non e IraI'altro possibile per una macchina causare nessun apprez-zabile aumento nella tensione ai morsetli finche essa econnessa alla rete. Aumenlando I'eccitazione del campa,per esempio dovula ad un guasto nel regolalore automaticodi lensione, aumenla solamente la polenza realliva inuscita; cia allimite pua condurre al dislacco della macchinaper inlervenlo della prolezione di max. corrente. In quaIchecaso, per es. con generalori in servizio a pieno carico ecompensatori sincroni, i quali sona spesso chiamati a lavo-rare alla loro potenza massima, viene inslallalo un dispositi-vo limilatore di sovraeccitazione.. Queslo impedisce che lacorrenle di campa rotorica e la polenza realtiva in uscilasuperino i limiti sopporlabili della macchina.Se I'inlerrullore del generatore e aperto rnentre la mac-china funziona a pieno ca rico e con fattore di polenzanominale, il conseguente aumenlo di tensione ai lerminalideve essere limilato da un rapido inlervento di RAT. Co-munque se il RAT e guasto, oppure in questo particolareistanie e commulato sur controllo manuale del liveIlo ditensione, si crea una particolare sovratensione. Questoaumento di tensione potrå ulteriormente aumentare se siverificasse contemporaneamente una sovravelocilå dovutaad un lento intervento del regolatore di lurbina. Nel caso digeneratori idroelettrici, epossibile un amento di tensionedel 50-100% durante le condizioni pill sfavorevoli.I modern i Irasformatori elevatori con elevate caratteristichemagnetiche hanna un liveIlo di saturazione relalivamenteprecisa e ben definita, con una lensione di ginocchiocompresa tra 1,2 e 1,25 volte U". Una opportuna regola-

((

({

le/e di massima tension e tipo RXEG 2 Rele 8 tempo tipo RXKB 1

generatore. o sul Iata AT del trasformatore 13levatore. laprotezione di riserva nel caso di guasti intern i puö essereottenuta solamente quando la corrente di cor10 circuito efornita dalla fete.

I rele di massima corrente sono sempre ritarcjati, con un

tempo regolabile da 1 a 10 seco Pub esse re usata una ca-ratteristica a tempo indipendente o a tempo dipendente. IItempo effettivo da regolare e la scelta della c:aratteristicadi tempo El determinata dal rele di massima corrente nellarete esterna, per cui El richiesto uno scatto sel13ttivo. Vienescelta usualmente una regolazione di COrrel1lte di circa

1,5 In. Questo peraltro dipende dalla grandezz:a della cor-rente di corto circuito disponibile, che El direttamente inrapporto al tipo ed alla potenza di sovraccaric:o del siste-ma. Nel caso di un sistema di eccitazione puramente sta-tico. che riceve la sua potenza di magnetizzazione diretta-mente dai morsetti del generatore. attraverso Ull. trasforma-tore che alimenta il ponte a diodi (SCA), la grandezza dellacorrente di corto circuito trifase dipende dalla tensione aimorsetti del generatore. Con guasti trifase rawicinati, latension e ai morsetti del generatore sarå piccola e la cor-rente di guasto pub scendere sotto il valore regolato delrele di massima corrente in pochi secondi'.

La protezione di massima. correnle di riserva, assieme al-

I'apparecchiatura di prova RTXP 18, pu6 comprendere unodej seguenti componenti:

a) Protezione di massima corrente a tempo indipenden-te (51)3 Rele di massima corrente istantanei tipo RXIG 21 Rele ritardato con scala 1.10 seco tipo RXKB 1

b) Protezione di massima corrente a tempo dipendente (51)3 Rele di massima corrente monofase, lipa AX/OF 2Hcon caratteristica a tempo inverso (o malta inverso)

c) Protezione d'impedenza insensibilizzata contro abbas-samenti di tensione dovuti a sovracOrrenti (21)1 Aele d'impedenza stati~o trifase lipa RAKZA, com-prendente un re/e a tempo indipendente con scala 1-10 seco o 0,3-3 seco

r

Al fine di provvedere una protezione di riserva c;he sia indi-pendente dalla caratteristica di sovraccarico data dal RAT.e disponibile un rele d'impedenza tipo RAKZA. Alla tensio-ne nominale del generatore, il rele RAKZA lavorerA comeun rele di massima corrente con caratteristica a tempo in-

dipendente. Peraltro, atensioni ridotte la correrlte richiestaper I'intervento sarA ugualmente ridotta, percl6, il rele ope-rerA quando I'effettiva impedenza di guasto (Z ,= U/I) cadesotto il valore di intervento.

3.2.3 Protezlone termlca contro II 50vraccarlco

Sovraccarichi tra 1-1,5 I. non sono normalmente rilevatidalla protezione di massima corrente. I sovraccarichicompresi tra i valori suddetti 50no, peraltro.. rilevati da rive-latori di temperatura distribuiti in vari punti della statore.II sistema di controllo di temperatura ASEA tipo RANVApu6 essere usato per dare uln allarme alle basse tempe-rature ed un intervento alle alte temperature.Quale verifica addizionale della temperatura dell'avvotgi-menta di statore, pub essere usato un rele termico di so-vraccarico tipo RXVE 4. Questli> pu6 esse re alimentato attra-versa il TA dal Iata neutra de! generatore o dal Iata linea,e pub essere usato per dare un allarme o iniziare unoscaUo. La costante termica del rele puå essere adattata algeneratore.I vari rivelatori di temperatura, resistori di platina da 100ohm o da 250 ohm a O.C, installati all'interno della mac-china possono esse re sistem~ti in modo da alimentare ildispositivo di controllo tipo RANVA. Per ciascuno dej cir-cuiti di entrata sona disponibili due rivelatori di liveIlo, unoper I'allarme e I'altro per lo scatto.

Per tensione zero, I'intervento del rele RAKZA EJ ottenutocon una corrente del 20% della corrente nominale. II cir-cuito di alimentazione in c.a. deve esse re munito di un in-terruttore di protezione avente un contatto ausiliario che in-

terrompe I'alimentazione di scatto nej caso di un guastonell'avvolgimento secondario del TV.

Prolezlone di massima correnle triIase lipa RXIDF 2H con presadl prova lipa RTXP 18 (97636)Rel4 d'lmpedenza Irllase lipa RAKZA (~~953)

8

te. II massimo valore di I, ammissibile con continuitå e com-preso normalmente tra 0,08-0,12 p.u. per turbogeneratori etra 0,2-0.3 p.u. per macchine a pol i salienti.

Tempo intervento

3.2.4. Protezlone contro carlcht asimmetrlcl

Questi carichi si possono avere in consel~uenza di una rot-tura di un conduttore o dalla mancata chiusura di un polodi un interruttore. Questi guasti causano c;orrenti di sequen-za inversa (I,) che circolano negli awolgimenti statoricidando luogo ad un campa d'armatura che ruota in direzioneopposta a quello del rotore.Cia pub produrre correnti di doppia frequenza, di gran-dezza apprezzabile, sulla superficie del rotore, causandosovratemperature in determinati punti, quali ad esempionelle biette delle cave enegli anelli di ritenuta alle est re-mila del rotore.

r'\:

Correnti di sequenza inversa vengono gl3nerate anche incaso di guasti a terra, e guasti tra fase e fase, ma lagrandezza della corrente di guasto enormaimente piiJgrande della corrente nominale ed e peraltro piiJ facilmenterivelata dai rele di protezione standard. Ini pratica, quandoun generatore incomincia a danneggiarsi per carichi squili-brati, la corrente di sequenza inversa enormaimente piiJpiccola della corrente nominale e la durata e normal mentemaggiore di 30 seco Approssimativamente I'effetto termiconel rotore di una macchina sincrona per d;iverse condizionidi guasto squilibrato, e dato dal prodotto 1', .t = k, dove la

Iz e il valore medio della corrente di sequenza inversa espres-sa in valore relativa alla corrente di statare (p.u.), t e ladurata in seco e K e una costante che dipe,nde dalla carat-teristica termica della macchina, cioe dal tipo di macchinae dal sistema di raffreddamento adottato.

~

IK'~

~ ~' ,

~.\

60s50sI.Os

30s

lOs~

K-lO I

IOs

d::

Ss

IY

I normali turbogeneratori e le macchine a poli salienti nonvengono seriamente danneggiati da carichi squilibrati seil prodotto I',. t e minore di 30 e 40 rispettivamente. Inquaiche caso particolare puö essere applicato un valoreinferiore a 2 per certi turbogeneratori. Questo implica chenel caso di I, = 1,0 p.u., la durata del carico squilibrato

dovrebbe essere possibilmente limitata ad Uj) valore inferio-re a 30 o 2 seco rispettivamente, al fine di ~~vitare un serioaumento di temperatura (Vedere Fig. 3). Bisogna osservareinoltre che, nel caso in cui I, = 1,0 p.u. sia dovuto a un

guasto tra fase e fase nej morsetti del generatore, si puödimostrare che la corrente reale di linea puö esse re dli 1,73p.u. Questo causa normal mente lo scatto ~jella macchinaentro 1-6 seco ad opera dej normali rele di massima corren-

25

Is

0.55 ,O.r 0.2 0:5 1:0 20 5:0

Corrente di sequenza inversa Il

Flg. 3 Caratterisliche operative della protezlone contro correnteInversa tlpo RAAlO, K = I', .t.

9

3.3 Protezlone deg" avvolglmenti statorlcl(guastl Internl, protezlone primaria)

II sistema di protezione contro guasti a terra del generatoredipende dalla disposizione del sistema, cioe se il genera-tore e direttamente collegato alle sbarre di distribuzioneo tramite un trasformatore elevatore ad un sistema di BItatensione. Nel secondo caso, il complesso generatore-tra-sformatore e considerato un sistema unico, cioe l'entitAdella corrente a terra su ciascun Iata del trasformatoreelevatore differisce total mente e per ciascun sistema di-pende unicamente dal metodo adottato per la messa aterra.

~

La protezione tipo RARIO comprende un filtro di corren-te a sequenza inversa tipo RXTBIB 4, che alimenta unaunitå statica di misura. Questi determinano unia caratteristi-ca d'intervento I', .t = K, dove K e continuamente variabile

tra 7-30 (vedi Fig. 3). II minima valore di scatto di I, evariabile con continuitå tra 0,15-0,6 p.u. ~ pure incluso undispositivo di allarme istantaneo, con un valore minimo discatto di I, continuamente variabile tre 0,05-0,20 p.u.Come alternativa a quanto sop ra, PUQ essere prevista unaprotezione con caratteristica a tempo indipendente si-stemando il filtro RXTBIB 4 che alimenta un rele di massi-ma corrente tipo RXIG 2. II valore di I, richH~sto per de-terminare lo scatto e I'allarme e variabile tre 0,15-0,30 o

0,05-0,15 p.u.Per i generatori idroelettrici viene normalmente scelto unvalore di taratura pill alto di 0,24-0,47 p.u. II ritardo richie-sto e ottenuto usando re le tipo AX KB 1 con caratteristica atempo indipendente in entrambi i circuiti di iallarme e discatto.Inserendo un milliamperometro sensibile e con una scalaspeciale in serie con il rele di massima corrente, il realevelare percentuale di I, PUQ esse re indicato, per esempio,nella sala controllo.

.

3.3.1 Protezloni contro guastl versa terraGeneratorl collegat( direttamente alle sbarre dl dlstrlbuzione

La protezione contro guasti a terra de! generatore deveessere in grado di distinguere tra guasti interni ed esterni.Un rele a spostamento del neutro. alimentato da un TVsul cent ro stella o dalla tensione residua di TV a triangoloaperto non pu6 pertanto essere usato da solo. perche untal e rele opererebbe sia per quasti intern i sia per guastiesterni.Una protezione selettiva di terra deve quindi esse re ba-sata sulle informazioni che possono essere ottenute dallacorrente di guasto a terra. L'esecuzione di questa pro-tezione dipende pertanto dal sistema adottato per la messaa terra del neutro del generatore e dal punto neutro sullarete esterna.

t::

F!lIro per correnll dl sequenza Inversa lipa RXTBIB 4 (~:326)

,::

Prolezione contra correnle di sequenza inversa lipa RARIO su letalaper apparecchlalure (80322)

10

Se la corrente di guasto a terra e grande, 10-20% dellacorrente nominale In. la protezione differenziale RADHA pergeneratore operera anche per guasti a terra, poiche il suoliveiio piiJ basso di intervento e circa 2% di In. Tuttavia.come detta nella sezione 1.2, noi raccomandiamo di limi-tare la corrente di guasto a terra del generatore ad unmassimo di 15 A. I rele di protezione per guasti a terra delgeneratore e dej montanti esterni di alimentazione do-vranno ave re pertanto un valore di primo intervento di 5 A,o mena. Tali schemi di protezione sona stati usati consuccesso dal la ASEA per diversi decenni.

eccitato a causa di differenze nelle caratteristiche dej tra-sformatori di corrente; sarA pertanto necessario inclu-dere un certo ritardo che e ottenuto usando un rele atempo tipo RXKB 1 con una scala 0.3-3 seco Come ulte-riore controllo si include anche il contatto (3) normalmentechiuso ed il rele a spostamento del punto neutra (2) tipoRXEG 2. La minima taratura del rele RXIG 2 e dettata inalcuni casi dalle capacitA di dispersione del generatore edej suoi cavi di uscita. dai condensatori di protezione. etc.Con un guasto esterno queste capacitå chiudono una pic-cola corrente di sequenla zero. corrente che farA agire ilfete RXIG 28 se la sua taratura e troppa bassa.Se ciascuno dej generatori che sona connessi alla sbarracomune ha una sua propria alta resistenza di messa a terradel neturo (Gome indicato con linea tratteggiata in Fig. 4).occorrerå prevedere una sensibile protezione con collega-menta dilferenziale per ottenere scatti selettivi.

Quando due o pill generatori son o collegati in parallelo suuna sbarra comune ed i centri stella dej generatori 50noisolati, le sbarre saranno messe a terra. altraverso un tra-sformatore con collegamento a zig-zag. Questo sistemacomporta diversi vantaggi. e precisamente: il fattore econo-mico. il sicuro rilievo dej guasti di terra ed il fatt o che lecorrenti di terza armonica non possono circolare tra i ge-neratori collegati in para Ile lo. Con un generatore a neutroisolato. il complesso di protezione contro guasti a terrapub e5sere realizzato come un semplice schema con ten-sione omopolare, come si vede in Fig. 4. I trasformatori dicorrente sul lato linea del generatore sono collegati in pa-rallelo ed alimentano un rele statico di sovracorrente tipoRXIG 2 sensibile anche con bassi carichi. Si ottiene nor-malmente una regolazione primaria di guasto tra 1 e 3 A(circa 0,001 X In). Durante corti circuiti esterni particolar-mente gravosi, tuttavia il rele RXIG 2 potrebbe eS5ere

:~

Poiche il resistore di messa a terra (Ag) e ad alts resisten-za, la corrente di terza armonica, che potrebbe circolaretra i generatori in paraiielo, e dell'ordine di pochi amperesolamente. Le perdite di energis ed il riscaldamento dovutialla corrente di terza armonica saranno pertanto trascura-bili. Se, tuttavia, occorre ridurre per una qualsiasi ragioneil vatore ohmico del resistore di terra sul neutra del genera-tore o della re te esterna, dovrå esse re posta una grandecura, e I'effetto dell'incremento delle correnti di terza armo-nica deve essere analizzato scrupolosamente.

~

~

,~

Fig. 4 Protezione seletliva contro guasti di terra per un generatorecollegato a sbarre di distrlbuzione.

Z Trasformatore di terra per 15 AAg Resistore di terra per 15 A, 10 seco1 Rele di masslma corrente tipo RXIG 22 Rele per controllo spostamento dl neutra, lipa RXEG 23 Apparecchiatura di controllo per la protezlone di sovracorrente.4 Rele a tempo indipendente lipa RXKN 15 RidutIore di corrente di neutraAele di massima corrente tipo AXIG 2 (80480)

11

Protezloni contro guasti a terra dl un complesso gene-ratore-trasformatore

statorico. cioe in caso di guasto dal 5°/& in poi nello sta.tore il rele RXIG 2 opererå.

t pratica comune in molti paesi usare un rele a spostamen-to del neutra per la pr01ezione con tro guasti a terra di uncomplesso generatore-trasformatore. Questo rele pub es-sere alimentato tramite un TV derivata dal neutra o unavvolgimento a triangolo aperto di un TV gul Iata lineadel generatore (Vedere Fig. 5). II rele opererå per guastial generatore e non per guasti sulla rete ad alla tensione(Vedere anche paragrafo 1.1).

Durante determinate condizioni di carico il generatoresincrono pu6 produrre una tensione di fase di terza ar-monica compresa tra il 5-10o/c della tensione nominale.II rele RXIG 2 include penanto un filtro con un fattore dismorzamento 15.

In alcuni casi deve esse re considerata conveniente una pro-tezione di terra 100% che copre tutta I'avvolgimento di sta-tore. Un simile schema pub esse re apprestato slruttando latensione di terza armonica normalmente prodotta dal ge-neratore. La lig. 5b mostra. in posizione diseccitata unaprotezione che produce un allarme per guasto punto neu-tro o nelle sue vicinanze.

In questo caso la protezione contro guasti a terra e pertantoindipendente dalla corrente di guasto. II valore della resi-stenza di terra sarA determinato principalmente con lo sco-po di ridurre il riscaldamento nej lamierini di statore elimitare le sovratensioni transitorie durante i guasti aterra. Nella maggior parte dej casi un resistore standard5 A, 10 seco direttamente collegato al neutra det generatorerisponde pienamente alle esigenze. II valore primario ditaratura del lo spostamento del neutra per il rele RXIG 2enormaimente tra il 5-10% della tensione nominale dirase. II tempo di ritardo necessario e ottenuto tramite unrele RXKB 1, con una scala 0,3-3 seco Con questa pro-tezione pub essere coperto circa il 95% del"avvolgimento

AA vuoto, o con carichi bassi, si assume che la tension e diterza armonica U, e la tensione secondaria U'o' alimentatail filtro (1) ed il rele (2) siano relativamente piccole. IIrele (2) pertanto rimane diseccitato ed i suoi contatti(b) restano chiusi. Tuttavia con una corrente di caricocompresa fra 0,2 e 1 p.u., U'o' sarA fale da far intervenireil rele (2) che aprirA j suoi contatti (b). Entro il medesimocampa di taratura il rele (3) sarA predisposto per eccitarsi.

~

R

S Sbarra A.T

T

~

--C-)-4 l Role di~ scatto~ )

Fig. 5b Carallerisliche princlpali della protezione di terra 95-100""schema dl allarme.

1 FlItro, ZSO Hz " Z1SO Hz2 Rele di terza armonlca, lipo RXIG 23 Rele di minima corrente, tipo RXIG 24 Rele a tempo tlpo RXKB 1UJ Componente dl terza amronlca della tenslone dl lase dove;

UJ = UCJ + UnIC, Capacltä dl dlsperslone verso terra

~

chiudendo i propri contatti (a). Se durante queste condi-zioni, capita un guasto a terra sul neutra del generatore onelle sue vicinanze, la tensione secondaria U'o, diventazero, o trascurabile. II rele (2) lascia ricadere i suoi con-tatti e si ottiene un all arme ritardato tramite il rele (4).Questa protezione di terra-statare 100% e adatta per ge-neratori con una tensione di terza armonica di circa 1°/t o

pill, entro il campa di correnti di carico 0,2-1,0 p.u.

3.3.2 Protezlone difterenzlale

Noi raccomandiamo di instalIare una protezione difteren-ziale per tutte le macchine importanti a parti re da 2 MVA.Ouesto permette uno scatto selettiYo e molla rapido sututti i tipi di carlo circuito interna.

((

(c

Protezione differenziale ad alta impedenza, tipo RAD HA

Questa protezione PUQ esse re usata per i generatori ed irelativi conduttori di uscita provvisti di TA sul Iata lineae Iata centra stella, tutti aventi il medesimo rapporto spi re.Grazie al dispositivo ad alta impedenza sr otterrå unacompleta stabilita aj guasti passanti. anche quando uno dejTA si sara saturato a causa della differenza tra le ca rat-teristiche dej TA ed alla presenza di una elevata compo-nente continua. Le principal i caratteristiche del RADHAsono:

.Alta velocitå di intervento. circa 15 ms (escludendo i

rele ausiliari)

.Bassa taratura di guasto primaria, circa il 2°10 delvalore nominale del TA

.Totale stabilita per guasti esterni

.Possibilitå di impiegare TA standard.

Protezlone differenziale globale generatore-trasformatorelipa RADSE

Questa e alimentata dei TA Iata centra stella del generatoree Iata alla tensione del trasformatore elevatore. Se il colle-gamento di alla tension e versa le sbarre di centrale e rela-tivamente lunga (1-2 km), questi possono essere inclusi en-tro la protezione installando i TA vicino alle sbarre (VedereFigg. 10 e 11). Inoltre, se ai morsetti del generatore e col-legato anche il trasformatore abbassatore per i serviziausiliari, questo potrå essere incluso nella protezione totalecollegando i TA sul Iata bassa tensione.La protezione differenziale totale deve avere un apparatodi insensibilizzazione che passa prevenire interventi intem-pestivi per le correnti di magnetizzazione elevate. Un taleevento capita, ad esempio, quando succede un guasto suun montante adiacente. Durante il tempo di permanenza delguasto, la tensione ai morsetti del trasformatore principalee praticamente zero e nell'istante di estinzione del guasto.cioe quando I'interruttore della partenza guasta apre, latension e ai morsetti del trasformatore sale rapidamente.Questo e causa di gravose correnti magnetizzanti che pro-vocano interventi intempestivi.Quando si usa una protezione differenziale globale, quelladifferenziale di generatore lipa RADHA pub essere omessa.

La protezione RADS E e caratterizzata da:

.Tre circuiti di insensibilizzazione contro:Guasti passanti (insensibilizzazione a sovracorrenti)Correnti magnetizzanti d'inserzione (insensibilizzazionea seconda armonica)Eccessiva eccitazione dovuta ad anormali aumenti ditensione (insensibilizzazione a quinta armonica)

.Elevata rapiditå d'intervento, circa 30 ms a tre voile lacorrente di ta~atura.

.Elevata sensibilitå ai guasti primari, circa il 20% dellacorrente nominale dej TA

.Basso consumo, che permette rusa di TA con ridotte

prestazioni.

(

<.

Prolezione difterenziale globale lipa RADSE (83519)Prolezlone dlfferenzlale ad aila Impedenza lipa RADHA (87678)

13

3.3.4 Protezlone antlncendlo (Ca,)

Le moderne macchine sona normalmente isolate con resineMicapact (!) o materiali iso.lanti simili non infiammabili.

L'uso di apparati antincendio a CO, non e pertanto piurichiesto. Nelle vecchie macchine, con materiali isolantiinfiammabili, il dispositivo di CO, e lo scatto della macchinaerano comandati da speciali rivelatori di fiamma, opportu-namente dislocati nell'awolgimento di armatura.

3.4 Prateziane del clrculti di campa

Si pu6 considerare che il sistema di eccitazione di unamacchina sincrona comprenda il regolatore automatico ditensione (RAT), I'avvolgimento di rotore, I'eccitatrice staticao rotante. I rele di protezione sona di solito impiegati perintervenire in caso di guasti a terra del rotore, di perdita dieccitazione o quando I'eccitazione si riduce a tal punto daprovocare il superamento del limite termico imposto.

r-

3.4.1. Protezione contro guasti a terra sul rotorefl':.

Come giå detta al paragrafo 2, I'impiego di una protezionecontro guasti a terra del rotore e di notevole importanza.Questa dovrebbe essere in grada di rilevare un difetto diisolamento in qualunque punto dell'avvolgimento di rotore,cioe dovrebbe funzionare senza alcuna zona di insensibilitå.II rele per guasti versa terra tipo RXNB 4 per la protezionedegli avvolgimenti di carrlpo del generatore e basata sulprincipio dell'immissione di c.c. II rele " [nietta» una tensio-

ne in c.c. di 48 V nell'avvolgimento di campa rotorico (Ved.Fig. 7) e misura la corrente attraverso la resistenza dell'iso-lamento. Quando si verifica un guasto. si ottiene un aumen-to della tensione di misura (48 V) con la parte U. della ten-

3.3.3 Protezlone contro guastl tre splre

Come detta al paragrafo 2.3 si dovra installare una prote-zione per guasti tra spire se gli awolgimenlti di statorecomprendono bobine multi spire.In Fig. 6 e rappresentata una protezione semplice ed effi-cace per un tipico turbogeneratare (a) e per una turbinacontrorotante STAL-LAVAL (b).Durante il servizio normale il sistema di tension i di fase eperfettamente bilanciato e non si otterra alcuna tensionedi sequenza lera al triangolo aperto (1), o ai TV (2) traneutri dej due generatori STAL.Se, tuttavia, alcune spi re di una rase vengona cortocircui-tate. le tension i di rase non saranno piu equilibrate e larisultante tensione di sequenza lera fara agire il rele dimassima tensione (3). Questo rele, insieme con un reattorecollegato in serie (6), determina una compensazione alletensioni di terza armonica con un fattore di smorzamento dicirca 15. Le tensioni di terza armonica, normalmente prodot-te da un generatore, non possono pertanto influire sulla

protezione.La sensibilita della protezione per turbogeneratori di solitoe tal e che si ha I'intervento anche quando viene cortocir-cuitata una sola spira.II circuito di scatto della schema (a) normalmente includeun apparato di controllo a sovracorrente (4) ed un rele atempo tipo RXKB 1 (5). Nello schema (b), dove le due mac-chine STAL sona costruite con identiche caratteristiche,normalmente lo scatto e istantaneo. Se i generatori, schema(a) e (b), sona collegati a terra tramite una bassa impe-denza (corrente di terra> 15 A) e direttamente collegatiad una rete di distribuzione. attraverso i generatori puö pas-sare una grande corrente di sequenza lera durante guastiesterni. Una tensione di sequenza zero sara pertanto appli-cata al rele (3).Nel caso questa tension e sia troppa grande, il rele e mu-nita anche di un dispositivo di blocco.

b

J

Scatto

Scatto

Praleziane di campa per guasli a terra lipa RXNB 4 (92137)

Fig. 6 Protezione contro guasti tra spire delle bobine di statare.

(a) Turbogeneratore tradlzlonale(b) Turbogeneratore controrotante STAL-LAVAL1 TV a trlangolo aper1o2 TV tra i neutrl dl due generatorl STAL3 Rel6 dl masslma tensione lIpa RXEG 2 con compensazione a

terza armonica4 Apparato di controllo a sovracorrente5 Rel6 a tempo IIpo RXKN 1~ Reallori per compensazione alIetensioni di terza armonlca

14

Nelle central i presidiate il rele di guasto a terra e normal-mente previsto per avviare un allarme ritardato. Nelle cen-trali non presidiate si pub usare uno scatto ritardato, aseconda delle esigenze del cliente.

(.

sione di campa. Questa tension e viene misurata fra il ne-gativo dell'alimentazione dell'eccitarice ed il punto di gua-sto, e dipende dalla tensione di campa e dalla zona del-I'avvolgimento rotorico su cui c'e il guasto.II rele RXNB 4 interviene per una resistenza d'isolamentoR, dipendente da U. (volt) secondo "eqlJazione in Fig. 7.Tale protezione consiste di un rivelatore ,di liveIlo sensibilealla corrente che passa attraverso il punto di guasto. IIrivelatore ha un valore d'esercizio fisso di 2,5 mA circa edun valore di ripristino che conferisce al rele un rapportodel 110% circa.Uno stadio temporizzatore a valle del ri11elatore di liveIlofornisce al rele un ritardo d'intervento di 11 secondi circa,che serve ad impedire il funzionamento in caso di aumentidi breve durata della tensione di campa. Essi possono esse-re pari a 2 volte la tensione nominale per quaiche secondo,nel qual caso i valori d'intervento aumentano secondo I'e-quazione in Fig. 7. La protezione RXNB 4 ha un rele elettro-meccanico in uscita con due contatti di scambio.L'ingresso e dotato di filtro passa-basso per evitare cheI'RXNB 4 venga influenzato da una tensione in c.a. sovrap-posta a quella in c.c. dell'avvolgimento rotorico.Poiche I'albero del turbogeneratore e messo a terra permezzo di un anello e di una spazzola di carbone, la cor-rente immessa non puö danneggiare i cuscinetti. In caso digeneratori idroelettrici I'albero e normalmerlte messo a terrain modo efficace in quanto e in diretto contatto con f'acqua.

3.4.2 Protezione contro la perdita di eccitazione

Si pub avere una perdita totale di eccitazione in conse-guenza di un guasto nel dispositivo di regolazione auto-matica di tensione (RAT), di un circuito aperto o di uncorto circuito nel campo principale.Durante il normale funzionamento si pub ave re un'eccitazio-ne, che causa un eccessivo riscaldamento all'estremitå delnucleo di statore, quando si manifesta una continua ten-denza verso un aumento della tensione nel sistema (cadutadej carichi reattivi). In questo caso la normale azione deldispositivo RAT sarå in grado di ridurre I'eccitazione dicampo. Un'eccessiva riduzione del campo puö al limite pro-vocare la perdita del sincronismo in un generatore. sottocarico.Una trattazione matematica esatta del problema delle per-dite di eccitazione non e possibile a causa del gran numerodi variabiii, compresa la regolazione della turbina e leazioni del RAT. Comunque accurati stud i effettuati dal-I'ASEA con I'ausilio del calcolatore opportunamente pro-grammato, mostrano che la protezione RAGPA (o RAGPC)

,(

("

G

II

Flg. 7 Protezlone di campo per guastl a terra

R Resistenza, 10 kohmR Reslstenza d'lsolamentoU: Contributo alla tenslone di misura (48 V) dalla tensione dl campa

in caso dl guastoII rele Interviene per una reslstenza d'lsolamento R dipendente da U(volt) secondo: "

U+48R = ~-14kohm

.2,5Prolezione per perdila di eccilazione lipo RAGPA (in basso)e lipo RAGPC (in allo)

15

RXGE 2, che normalmente e regolato per intervenire quan-do la tensione ai morsetti del generatore scen de sotto0,85 p.u. (o 0,9 X la minima regolazione dell'RTA).II circuito di scatto della protezione e mostrato in Fig. 8b.L'intervento del solo rele direzionale RXPE 40 ta parti re unallarme di sottoeccitazione. Se contemporaneamente inter-viene anche il rele RXEG 2 di minima tensione, cia e indicedi guasto nel sistema di eccitazione e quindi si effettua ilblocco della macchina.

e adatta nella maggior parte dej sistemi. La normale carat-teristica di lavoro di un turbogeneratore tipico e indicata inFig. 8a. Le curve AB, BC e CD rappresentano i limiti oltre iquali la macchina non e normal mente in grada di funzionareregolarmente. La curva DF mostra il limite 1:1 i stabilitå nelcaso in cui il dispositivo RAT sia in funzione e I'impedenzaX. per un sistema infinitamente esteso sia di 0,2 p.u.II vettore della potenza apparente Sn rappresenta la poten-za nominale a cos q> = 0.8. Se la tensione d,el sistema co-

minciasse a crescere continuamente. I'eccitazione di cam-po si ridurrebbe secondo la caratteristica di funzionamentodel RAT. L'estremo del vettore Sn si sposta quindi sullaverticale BH.

Nel caso in cui due o pi':' generatori sona collegati in pa-rallelo, la tensione ai morsetti probabilmente non scen-derå satta 0,85 p.u. durante la perdita di eccitazione di ungeneratore. O'altra parte, dato che la tensione ai morsettie alts e I'impedenza del generatore e relativamente bassa,la corrente statorica della macchina guasta PUQ variarefra 2 e 5 p.u. Per garantire uno scatto sicuro, la protezione

II funzionamento continuo satta la linea DC; provoca ungravoso riscaldamento localizzato sull'estremitå del lo sta-tore, dovuta a un flusso di dispersione all'l~stremitå cheentra ed esce dal nucleo di statore perpendicolarmente allelamine. In casi eccezionali Questo pub provocare I'abbruni-mento delle parti in terra della struttura terminale. o labruciatura dell'isolamento dell'awolgimento di statore. Laprotezione RAGPA comprende un rele direzionale di cor-rente RXPE 40, con caratteristica di funzionalft1ento essen-zialmente indipendente dall'ampiezza della te,nsione di po-larizzazione.

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MVA, Q

P.U'}~--:::! =-=-~S ~(a)

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I : ..~~"'\~ "' H "" """ """ ~, "'" 'e. dl Intervento pe' ,el6 RXPE. 40'

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00.21

Ouesta caratteristica del rele e fatta coincidere con la lineaCD; il rele quindi interviene se si verifica IJn eccessivoriscaldamento in conseguenza di funzionamento prolungatoin condizioni di sottoeccitazione.Con un regolatore funzionante in maniera appropriata nonsi pu6 avere eccitazione rid otta e contemporaneamente ten-sione ridotta ai morsetti del generatore. L,a protezioneRAGPA pertanto comprende un rele di minima tensione

0.4-

-s:--0.6-

,

...

~

......X."O.2p.u. F ,---~

ScettoPerdite dl eccltezlone

AllermeSottoeccltezlone

(bl

s1.0

0.5.

0.310.2

0.1

0.05 1

(d)

.--2 3 4 5 7 10 20xIs

Mulllpll del Y81ore dl greture del rel6

Flg. 8 Protezlone per la perdita dl eccltazlone.

(a) Curve dl lunzlonamento per un IIplco turbogeneratore(b) Clrculto dl .callo della protezlone RAGPA(c) Clrculto dl .callo della protezlone RAGPC(d) Curve del tempo dl Intervento (RXPE 40)Rele dlrezlonale lipa RXPE 4 (83368)

16

3.5.2 Protezlone contro vlbrazlonl

Un rivelatore di vibrazioni tipo SINUS pu6 esse re montatonel supporto del cuscinetto nel caso di una macchina adalbero orizzontale, oppure sul cuscinetto reggispinta diuna macchina ad albero verticale. Esso pu6 essere regola-to per bloccare la macchina o per emettere un segnaled'allarme quando I'oscillazione radiale di una certa duratasupera il valore prestabilito.

RAGPC comprende anche un rele di massima correnteRXIG 2, normalmente tarato a 1,1 p.u. II circuito di scattodella RAGPC (in Fig. 8c) interviene solo se dopa I'interven-to del rele RXPE 40 c'e un abbassamento di tensione ac-compagnato da un aumento della corrente statorica.II rele direzionale RXPE 40 ha una caratteristica di tempo in-versa come da Fig. 8c. Ouesto evita I'intervento indesidera-to del rele in certe condizioni di oscillazione nella potenzadel sistema, ed anche durante il funzionamento asincronocon un sistema di eccitazione di campa completamenteintatto.A causa della costante di tempo relativamente grandedella macchina, un generatore a pieno carico che perdeI'eccitazione si troverå, nella maggior parte dej casi pra-tici, fuori fase di 180" rispetto al sistema entro 4-6 se-condi. L'intervento della protezione quindi dovrå avvenirenel giro di 3-5 secondi, cioe prima della scorrimento diun polo.~

..,

3.5 Varje forme di protezione

3.51 Protezione di sovraveloclta

3.5.3 Protezione del cuscinetto

L'olio per la lubrificazione dej cuscinetti e solitamentecontrollato per quanto riguarda la pressione, la portats ela temperatura in vari punti lungo il circulto chiuso, oltreche nel refrigeratore dell'olio. Dentro i cuscinetti sonDinstallati dej rivelatori che controlIano la temperatura de Ileprincipali parti metalliche (Ved. paragrafo 3.2.3 per il siste-ma di rivelazione di temperatura tipo RANVA). La protezio-ne tipo RARIC contro correnti d'albero serve ad evitareche i cuscinetti vengario danneggiati dalle forti correntinel caso di rottura nell"isolamento attorno al collare delcuscinetto. L'apparecchiatura comprende uno speciale«trasformatore di corrente d'albero» montato attorno al-I'albero, che assume cosi la funzione di conduttore pri-mario.L'avvolgimento secondario di questo TA alimenta un relestatico di misura che puö intervenire per una corrented'albero di 1-1,5 A val. eff.Lo scatto viene effettuato mediante un rele a tempo tipoRXKN, con scala 1-10 s. Normalmente si ha un segnaled'allarme istantaneo, emesso per segnaiare un isolamen-to parzialmente danneggiato che potrebbe causare impulsidi corrente irregolari di durata variabile.

I motori primi sona solitamente muniti di un dispositivomeccanico di sovravelocitå del tipo centrifugo. Cia puaessere completato da un rele di massima frequenza. IIdispositivo rivelatore di velocitå tipo RAGNA pua esse-re tarato per indicare la velocitå in 9 diversi liveiii compresifra il 10-200o/c della velocitå nominale.Questo dispositivo pub esse re messo in funzione da ungeneratore a magneti permanenti montato sull'albero prin-cipale, oppure da un dispositivo elettromagnetico maltapill semplice comprendente una corona dentata montatasull'albero.

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(,..

Prolezlone dl correnle d'albero lipa RARIC (85572)Rele di frequenza lipa RXFE 4 (96317)

3.5.5 Protezlone dl frequenza

Per proteggere i generatori contro sovravelocitå, in casodi guasto al regolatore di turbina, si PUQ utilizzare un reledi frequenza tipo RXFE 4. La taratura di massima frequenzaPUQ essere regolata tra 1 e 1,12 volte quella nominale.II rele PUQ essere utilizzato anche come rele di minima fre-quenza con taratura da 0,88 a 1 volte quella nominale.Lo stesso rele pub esse re utilizzato come dispositivo perlo stacco di carichi e per la protezione di compensatori sin-croni contro la velocitå sincrona.

4. Esempi di applicazione del rele dl protezlone

4.1 Considerazioni generali

II numera ed i tipi di rele da prevedere in un certo impian-to dipendono dal suo schema. dalle dimensioni e dall'im-portanza. I sistemi di protezione. descritti qui di seguito. so-no quelli da noi general mente consigliati. Quando richiesto,i diversi schemi saranno modificati o ampliati in modo dasoddisfare le esigenze del cliente.

3.5.4 Protezlone contro potenza Inversa

II rele direzionale contro potenza inversa ha la funzione dievitare il trascinamento del generatore, Quando la coppiamotrice della turbina e inferiore alle perdite totali dellamacchina. II denna che pu6 esse re causato durante talicondizioni e riferito alla turbina piuttosto che al generatore

o al sistema elettrico.Nel caso di turbine a vapore, una riduzione della Quantitådi vapore diminuisce I'effetto refrigerante sulle palette del-la tlJrbina e pu6 verificarsi un surriscaldamento. Nel casodi motori diesel si creano severe sollecitazioni meccanichesull'albero Quando il funzionamento sincrono e imposto con-tro I'alta pressione interna nej cilindri del motore. Le perdi-te totali in percento della potenza nominale del gruppomotore-generatore funzionante a velocitå nominale sona

approssimativamente:Turbina a vapore 3O/GMotore diesel 25%Turbina idraulica 3%Turbina a gas 5%Ouesti valori sona validi Quando e esclusa completamentela potenza in entrata al motore. Pertanto, nel caso in cui leperdite total i del gruppo sjana coperte in parte dal matareed in parte della rete di alimentazione, la potenza effettivaprelevata da un generatore in determinate condizioni dimarcia pu6 essere malta pill piccola dei valori percentualisopra indicati. Usando il rele direzionale tipo RXPE 4, lamarcia pu6 esse re rivelata ad una potenza inversa dell'1°/1O

o anche mena.Lo scatto dell'interruttore di macchina viene dato usual-mente mediante un rele a tempo tipo RXKT 2 con scala6-60 sec., tarato a 10 seco o in funzione del le e~;igenze del

costruttore della turbina.Per i motori diesel la potenza inversa e relativamente gran-de per cui una regolazione di guasto tra il 4-8% e consi-derata adeguata. In Questo caso sarå malta adatto il releRXPE 40 con caratteristica a tempo inverso.

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4.2 Schemi elettrici

Negli schemi unifilari, Fig. 9-10.11, le principali caratteristi-che di protezione sona definite dai numeri dej dispositiviriportati a pag. 18. II circuito di scatto e quello di un turbo-generatore, nel qual Gasa le valvole di chiusura di emer-genza saranno azionate solamente in caso di un grave gua-sto interna. Se le valvole di chiusura vengono azionate acausa di un leggero guasto esterno, ad esempio per caricosquilibrato, pub trascorrere un tempo apprezzabile primache la macchina possa esse re riportata al servizio normale.Per le macchine idroelettriche il problems di awiamento,dopo un impulso di chiusura, , e completamente diverso e

I'interruttore principale, quello di campo e la valvola dichiusura in questo caso spesso scattano simultaneamente.~ possibile usare parecchi tipi diversi di circuiti di scattoper evitare inutili sovravelocitå dej turbogeneratori in con-seguenza di una improwisa perdita di carico. Una soluzio-ne tipica si vede in Fig. 9 doJ,e la protezione di massimatensione di reazione (59) e que,la contro la perdita di cam-po (40) intervengono solament~ sulla valvola di chiusura.Quando questa chiude, scatta ,anche I'interruttore LS cheprovoca lo scatto dell'interruttf;>re principale (M.G.B.) e di

quello di campo (F).In quaiche caso si pub usare un rele separata di potenzainversa invece dell'interruttore L$. Questo assicura che ladisinserzione della macchina dalla rete awenga solamentequando I'alimentazione del vapore nella turbina e stata

interrotta completamente.r

Äei~ a tempo tlpo RXKT 2 (79721)

18

-0

-8:0:-_~

-8:0

-EJ

~

~Alternativa

lSo)

Fig. 11 Tlpico equipaggiamento .re le dl un g'osso gener.tore conautoecclt.zione .Ihyristor.

Pagina

4.3 Elenco dej simboli

Dispo-sTi:iyo -,-

numera *J Tipo di protezione !

21 Impedenza (maSSi~a corrente) --832 Potenza inversa 1838 Corrente d'albero 1740 Perdita di campo 1546 Sequenza inversa 949 Sovraccarico termico 851 Rele a tempo di massima corrente 759 Rele di massima tensione 759 N Spostamento del ne~tro 1260 Equilibratore di tensione 14

(t ra spire)Guasto a rotore 14Protezione differenzlale 13Protezione di primo intervento 18Protezione di secondo intervento 18Trasformatore dej servizi ausiliari 18Valvola di chiusura d'emergenza 18Interruttore di blocco per la vatvola di chiusura 18Trasformatore trifase zig-zagper messa a terra

Rg Resistore di messa a terraM.C.B. Interruttore principalem.c.b. Interruttore miniaturizzatoF Interruttore di campaRAT Regolatore automatico di tensioneSCA Diodo controllato-I ---

5econdo norme B.5. e NEMA I

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Flg. 10 Equipaggiamento tipico per una turbina STAL öl controrota-zlone.I dlspositlvl No. 60 F e 60 N coslitulscono una semplice ma elficacelarma di protezlone tra splre degl! avvolgimenti statorico e rotorico.

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