Analisi dei guasti e protezioni direzionali ANSI 67
L’analisi delle correnti di guasto in una rete elettrica, è di vitale importanza al fine di assicurare un corretto intervento delle protezioni, con stacchi selettivi e limitati all’area interessata dal guasto.
Il software Ampère Evolution e Ampère Professional può avvalersi di una utile funzionalità per calcolare i flussi di corrente che alimentano un guasto, studiarne i versi e le grandezze e analizzarne le diverse problematiche.
Ne elenchiamo alcune a cui il software può dare una risposta:
• quanto vale il contributo a guasto dei motori elettrici presenti nella rete?
• come si propaga un guasto asimmetrico nella rete anche considerando la presenza di trasformatori stella-triangolo?
• le protezioni direzionali di fase 67: come funzionano, che correnti controllano, con che tarature?
Il software dispone di un simulatore che permette di definire un guasto in un punto qualsiasi della magliatura: si può decidere se tale guasto avviene a monte o a valle dell’utenza scelta, se sia di tipo subtransitorio o permanente, e quali conduttori coinvolga.
Il software di calcolo di rete elettrica di Electro Graphics consente al progettista la consapevole valutazione delle situazioni di guasto nelle reti elettriche più complesse, al fine di implementare la soluzione corretta per un esercizio ottimale dell’impianto.
Simulatore di guasti
Il pannello ANSI 67, della funzionalità avanzata Protezioni direzionali, permette di definire un guasto in un punto della magliatura. Si può decidere se avviene a monte o a valle dell’utenza scelta, se sia di tipo subtransitorio o permanente, e quali conduttori coinvolga (il tipo di guasto è funzione del Circuito elettrico dell’utenza, compresa la possibilità di correnti a terra). Vediamo i comandi presenti nel pannello:
Analisi flusso guasti: attiva l’analisi delle correnti di guasto, abilita i comandi e visualizza le correnti di guasto. E’ necessario eseguire un calcolo preventivo della rete per avviare la funzionalità.
Vincola utenza guasta: l’utenza selezionata diventa punto permanente di guasto; bloccare il punto di guasto è utile per analizzare la quota parte delle correnti di guasto che attraversano altre utenze, che possono essere ‘distanti’ lungo la magliatura, permettendo correzioni o modifiche ad altre utenze senza variare le condizioni di guasto.
Transitorio e punto di guasto: la lista a discesa permette la scelta tra cinque diverse tipologie di guasto, combinando il periodo di transitorio e il punto di guasto. Il periodo di vita di un guasto elettrico è normalmente suddiviso in tre intervalli distinti: subtransitorio, transitorio e permanente. Il software gestisce il subtransitorio e il permanente. Per punto di guasto si intendono i morsetti a monte o a valle di una utenza.
Tipo di guasto: il riquadro contiene il nome dell’utenza guasta e una griglia con le sei tipologie di guasto studiabili, che si abilitano in funzione del tipo di circuito e la presenza della terra.
Lista Protezioni direzionali: se presenti nella rete, la lista riporta tutte le protezioni aventi la funzione direzionale 67, con le informazioni relative allo stato di funzionamento in funzione del punto di guasto scelto.
Rappresentazione Correnti di guasto/ANSI 67: il grafico propone la rappresentazione in modulo e fase delle correnti di fase e neutro dell’utenza selezionata (Punto di analisi P), viste a seguito di un guasto nel punto F. Se l’utenza possiede la protezione 67 il grafico ne visualizza le proprietà principali: settore di intervento (linea/sbarra), angolo caratteristico, logica di intervento.
Dato un progetto, selezionare un punto di studio F per simulare un guasto, ad esempio trifase-subtransitorio a monte. Eseguire un ricalcolo del progetto per aggiornare le correnti di guasto, informazioni necessarie per eseguire la simulazione del flusso delle correnti di guasto. Selezionare il comando Analisi flusso guasti, ed in Magliatura il punto di guasto F sarà indicato da un simbolo giallo che richiama un arc-flash. Il software fornisce i valori in modulo ed in verso delle correnti che alimentano il guasto e che attraversano le utenze interessate (punto P). Tali valori sono rappresentati nel riquadro etichette dedicato, che appare a fianco di ciascuna utenza in Magliatura. Inoltre, per l’utenza esaminata e selezionata, il pannello ANSI 67 visualizza i vettori delle correnti di fase che costituiscono il guasto, in modulo e angolo rispetto alla tensione di riferimento V1 della fase 1.
Contributo a guasto dei motori
Il software Ampère ha sempre considerato nel calcolo il contributo a guasto dei motori, ai quali va aggiunto anche quello dei generatori, dei sistemi di accumulo, etc. Pertanto la corrente di guasto nel punto F può essere la sommatoria di vari elementi, ciascuno con il suo ‘peso’.
La funzionalità Analisi guasti permette di visualizzare i flussi di corrente e a colpo d’occhio capire le sorgenti del guasto. In particolare, scegliendo come punto F di guasto la prima utenza collegata alla fornitura, l’utenza riporterà il contributo dei motori e dei generatori, valore coincidente con quello riportato nella finestra Fornitura con il nome Contributo dell’impianto alla corrente di cortocircuito di rete.
Attenzione. L’analisi dei flussi di guasto è eseguita considerando come metodo di calcolo quello Standard (tutti i guasti sono lontani da sorgenti).
Guasti asimmetrici
L’analisi delle correnti di guasto può risultare utile per lo studio di guasti asimmetrici e le correnti viste da protezioni poste sul lato opposto di un trasformatore.
Tipico il caso della protezione di due trasformatori (Dy) in parallelo. Per un guasto bifase al primario di un trasformatore, si trova dal lato secondario una ripartizione delle correnti nel rapporto 2-1-1.
La figura che segue riproduce la situazione descritta, con le correnti circolanti a secondario di valore 24-12-12 A, come atteso.
L’esempio descritto è importante nella gestione delle protezioni di arrivo, in quanto le Direzionali 67 potrebbero entrambe intervenire, e nel prossimo punto analizziamo questa situazione.
Protezioni direzionali di fase 67
La massima corrente di fase direzionale Codice ANSI 67 è una funzione di protezione supportata dal software Ampère, e come le altre tipologie ANSI, è gestita in Dispositivi, Tarature protezioni sotto le Ulteriori funzioni ANSI.
Questa protezione è trifase e comporta una funzione di massima corrente di fase associata al rilevamento di direzione; è eccitata se la funzione di massima corrente di fase nella direzione scelta (linea o sbarra) è attivata per almeno una delle tre fasi (o due fasi su tre, secondo parametrizzazione). L’allarme legato al funzionamento della protezione indica la/le fase/i in guasto. La protezione è temporizzata e la temporizzazione può essere a tempo indipendente o a tempo dipendente.
Attenzione. Il software fornisce solo l’indicazione relativa all’allarme, lo sgancio rispetto alla soglia di intervento non è attualmente gestito.
Analizziamo il funzionamento di una protezione 67 con l’aiuto della figura che segue.
La direzione della corrente (I1) è determinata dalla misura della sua fase (a1) rispetto a una grandezza di polarizzazione (U23), che è la tensione concatenata in quadratura con la tensione di riferimento della fase in esame (V1).
Si definisce Zona linea / Direzione linea / Forward la parte di rete a valle della protezione.
Si definisce Zona sbarre / Direzione sbarre / Backward la parte di rete a monte della protezione. Il piano dei vettori di corrente di una fase è diviso in due semipiani corrispondenti alla Zona linea e alla Zona sbarre. L’Angolo caratteristico θ (30°) è l’angolo della perpendicolare alla retta limite tra queste due zone e la grandezza di polarizzazione (U23).
Ipotesi Memoria di tensione
In caso di scomparsa di tutte le tensioni al verificarsi di un guasto trifase vicino al sistema di sbarre, il livello di tensione può essere insufficiente per il rilevamento della direzione del guasto. La protezione utilizza quindi una memoria di tensione per determinare la direzione in modo affidabile. Il software Ampère lavora considerando che la protezione direzionale 67 possieda questa funzione di memorizzazione. Le protezioni 67 possono lavorare con due modalità diverse per determinare la zona di intervento.
[Zona linea/Zona sbarre]: la casella va selezionata se la protezione utilizza la logica Linea/Sbarre + Angolo caratteristico, altrimenti comanda solo l’Angolo caratteristico: 0°-90° o 270°-359° Zona linea; 91°-269° Zona sbarre.
Logica operativa 2/3: in alcuni casi è consigliabile scegliere una logica di intervento del tipo a due fasi su tre.
Esempio Media tensione
Nella situazione analizzata di seguito, vediamo il comportamento di due protezioni direzionali 67 utilizzate per proteggere un tratto di rete gestito in anello; a seguito di un guasto trifase in un punto F esterno all’anello, una protezione va in allarme (colore verde) e l’altra non è coinvolta (colore grigio).
Analizziamo i valori delle protezioni direzionali riportati nelle etichette in Magliatura e nella lista del pannello ANSI 67.
Protezione in allarme: la freccia verso il basso indica la direzione della corrente di guasto, con un valore di 1,507 kA. I dati all’interno delle parentesi quadre sono le tarature della protezione, ed in ordine l’impostazione Zona linea (F), un angolo caratteristico di 60° e logica operativa 1/3 (una fase su tre).
Segue l’elenco delle direzioni delle correnti di fase concordi con la retta limite I(↓↓↓): in questo caso sono tutte e tre in direzione Zona linea.
Per ultimo, è riportato lo stato di allarme con la lista delle fasi che farebbero intervenire la protezione A(111), ossia tutte e tre le fasi, e il riquadro si colora di verde indicando l’attivazione dell’allarme della protezione.
Protezione non in allarme: la freccia verso l’alto indica la direzione della corrente di guasto, con un valore di 1,507 kA. I dati all’interno delle parentesi quadre sono le tarature della protezione, ed in ordine l’impostazione Zona linea (F), un angolo caratteristico di 60° e logica operativa 2/3 (due fasi su tre). Segue l’elenco delle direzioni delle correnti di fase concordi con la retta limite I(↑↑↑), ed in questo caso sono tutte e tre in direzione Zona sbarre. Per ultimo, è riportato lo stato di allarme con la lista delle fasi che farebbero intervenire la protezione A(0), ossia nessuna fase, e il riquadro si colora di grigio indicando nessun allarme.
Esempio Trasformatori in parallelo
Riprendiamo la problematica del punto precedente Guasti asimmetrici. La rete presenta l’alimentazione affidata a due trasformatori in parallelo, i quali devono essere protetti a guasto all’interno dell’anello, evitando aperture indesiderate.
Un caso critico è la gestione di un guasto bifase sul lato di primario, come può accadere se accidentalmente due fasi vanno in contatto, a causa di un corpo estraneo. Tale guasto può mandare in allarme entrambe le protezioni direzionali posizionate lato arrivo, come si evince dalla figura.
Per sezionare il tratto di linea del ramo di sinistra, si desidererebbe che solamente l’utenza ArrivoBT1 intervenisse.
Con le impostazioni definite [B↑ 30° L1/3], la fase 1 e la fase 3 sono concordi e mettono in allarme la protezione A(101).
Nella protezione ArrivoBT2, a destra, con impostazioni [B↑ 30° L1/3] uguali alla precedente, la fase 2 è concorde in direzione, e con logica operativa L1/3 si attiva l’allarme, situazione non desiderata.
Per questa utenza viene in aiuto la Logica operativa, in quanto impostandola in posizione L2/3 e richiedendo almeno due fasi concordi, si raggiunge l’obiettivo di creare la selettività richiesta.
Siccome la rete è simmetrica ed il guasto potrebbe avvenire sul ramo del secondo trasformatore, è necessario impostare entrambe le protezioni su Logica operativa L2/3.
La figura riporta quanto descritto.
Stampe ANSI 67
Il pannello ANSI 67 dispone della funzionalità Gestione stampe, utile per allegare al progetto lo studio delle protezioni direzionali 67.
Per ottenere l’attivazione delle stampe, è necessario che sia selezionata una utenza con protezione 67, e la stampa riporterà l’analisi completa nelle tre fasi assieme al risultato finale.
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