Grid-connected Island Island no sync
10,500 10,300 10,100 9,9000 9,7000 9,5000 [s] 1,20 0,90 0,60 0,30 0,00 -0,30
sblocco Voltmetrico: unlock signal
10,500 10,300 10,100 9,9000 9,7000 9,5000 [s] 1,0500 1,0000 0,9500 0,9000 0,8500 0,8000 sblocco Voltmetrico: u V o lta g e t h re sh o ld 10,500 10,300 10,100 9,9000 9,7000 9,5000 [s] 1,20 0,90 0,60 0,30 0,00 -0,30
Differential: Trigger signal Differential: Open signal
Sblocco voltmetrico disattivato: fisso in posizione alta
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Inoltre è importante sottolineare come esso sia estraneo a scatti intempestivi durante l’esercizio o in presenza di guasti nella rete in quanto dotato di una soglia minima di scatto. Questo può essere dimostrato a partire dal fatto che le simulazioni di guasto con protezioni di massima corrente a soglie adattabili sono state realizzate anche con il dispositivo differenziale di sbarra abilitato mostrando come esso non sia soggetto a scatti intempestivi. Questo elemento in particolare va a risolvere un’altra criticità emersa durante i test svolti: l’estinzione di guasti alla sbarra. È stato questo fattore infatti che ha reso necessaria l’installazione del differenziale di sbarra (come descritto in 5.1.2)
Dall’analisi delle prestazioni delle protezioni inoltre si può osservare come il grado di selettività offerto dalle protezioni di minima tensione, anche se provviste di elemento direzionale (che come visto in precedenza non risulta sempre efficace), non è tale da garantire la continuità dell’esercizio in una rete di tali dimensioni. Questo perché la tensione nei diversi settori della MG risulta pressoché uguale. Di conseguenza, se viene a mancare un parametro di selettività come può essere un ritardo intenzionale dettato dalla direzionalità del guasto, le protezioni andranno ad aprire tutte nello stesso momento. Tale comportamento è ben visibile nei test realizzati per il sistema di protezione a microprocessore. Nelle configurazioni in isola dove è attiva la protezione di minima tensione infatti si hanno aperture non selettive del guasto che interessano l’intera rete. In Fig. 6.55 si può notare come nel caso di guasto bifase al nodo 3-06, seppur le tensioni alla sequenza diretta ai nodi del ramo guasto siano leggermente inferiori, le tensioni lungo tutta la rete risultino paragonabili tra loro. Per questo motivo le protezioni di minima tensione potrebbero ritenersi adeguate come dispositivi di backup, così come vengono utilizzate nella rete di distribuzione tradizionale. Nonostante questo però si è visto come anch’esse siano soggette a deficit di affidabilità nel momento in cui la MG si trovi in una configurazione di rete tale da far sì che la tensione non scenda sotto la soglia di intervento dei relè (si veda 5.2.1: guasto Z6 con configurazione in isola).
Fig. 6.55 - Tensione nei nodi di rete a seguito di guasto bifase al nodo 3-06
Un altro problema caratteristico delle reti che sono in grado di lavorare sia in isola che connesse sono i valori di corrente di guasto che si possono avere nelle diverse configurazioni della rete. È proprio seguendo questo approccio che si sono introdotte protezioni di massima corrente a soglie adattabili. Queste infatti sono in grado di proteggere in maniera affidabile e selettiva la rete in entrambe le sue modalità d’esercizio andando a modificare le soglie di scatto al loro interno in modo tale da adattarsi allo stato della rete. Ciò però non risulta più sufficiente nel momento in cui si vanno a considerare MG alimentate da un parco di generazione diversificato. Da Fig. 6.56 e Fig. 6.57 si può notare la netta differenza tra le correnti di guasto nelle diverse configurazioni a dimostrazione di come protezioni a
14,00 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 [s] 1,0500 0,9500 0,8500 0,7500 0,6500 0,5500 [p.u.] Terminal 1-01: u1 Terminal 1-02: u1 Terminal 2-02: u1 Terminal 2-04: u1 Terminal 2-06: u1 Terminal 2-08: u1 Terminal 2-12: u1 Terminal 3-02: u1 Terminal 3-06: u1
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soglie adattabili siano indispensabili nell’individuazione dei guasti nella rete. Come si è visto in 5.1.1 le soglie adattabili però non risultano sufficienti nel caso di guasti monofase con soli generatori statici che vanno ad alimentare la rete. In questo caso infatti, essendo la MG esercita a neutro isolato, le correnti di guasto si possono richiudere attraverso le sole capacità verso terra, dando luogo a correnti di cortocircuito molto contenute, che, in molti casi, compromettono l’affidabilità delle protezioni di massima corrente.
Fig. 6.56 - Correnti di guasto trifase alle diverse configurazioni
Fig. 6.57 - Correnti di guasto fase-terra alle diverse configurazioni
Inoltre l’adattabilità delle soglie di intervento risulta necessaria dal momento che anche il comportamento dei generatori distribuiti varia con le diverse configurazioni di rete. Infatti, essendo programmati per fare supporto alla rete, il loro contributo in termini di potenza e corrente erogate sarà diverso andando a compromettere il funzionamento dei dispositivi di protezione.
10,500 10,380 10,260 10,140 10,020 9,9000 [s] 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 -0,25 [kA]
Line(2_01): Isc Grid-connected Line(2_01): Isc Island Line(2_01): Isc Island no sync
10,500 10,380 10,260 10,140 10,020 9,9000 [s] 0,500 0,375 0,250 0,125 0,000 -0,125 [kA]
Line(2_01): Isc Grid-connected Line(2_01): Isc Island Line(2_01): Isc Island no sync
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Un'altra osservazione che è possibile fare andando ad analizzare i test realizzati è come anche gli stessi sistemi di protezione di interfaccia non siano in grado di rilevare la presenza di un guasto, in particolare quando si hanno cortocircuiti ad alta impedenza. Questo vale in particolare per le protezioni di massima corrente installate al dispositivo generale dei generatori. Infatti i soli casi di scatto della protezione associata al DG si hanno nel caso di guasti a bassa impedenza alla sbarra, dove il contributo del sistema di accumulo e del sincrono sono tali da indurre l’apertura del dispositivo generale. In tutti gli altri casi il contributo dato dai generatori al guasto non è mai tale da generare scatti da parte della protezione di massima corrente a loro associata. Caso diverso si ha invece per il sistema di protezione di interfaccia che risulta più sensibile alla presenza dei guasti grazie al controllo di tensione.
Un eventuale problema che non è stato preso in considerazione durante i test effettuati è il possibile incorrere di guasti al sistema di comunicazione dei diversi dispositivi. L’elemento più soggetto a questo tipo di errori è chiaramente il differenziale di linea in cui si ha un confronto continuo tra i valori misurati ai capi dei tratti di linea. Tuttavia la diminuzione dei costi e la crescente disponibilità di canali di comunicazione ha rinnovato l’interesse per questo tipo di dispositivi. I dispositivi differenziali di linea (ANSI 87L) infatti, possedendo una buona immunità alle variazioni di configurazione delle reti e alla crescente penetrazione di generazione distribuita, risultano ideali per la protezione della rete. Questi però necessitano di canali di comunicazione a lunga distanza per lo scambio dei dati e di una sincronizzazione dei dati per poter confrontare in maniera appropriata i valori misurati nei diversi punti della rete. Le principali caratteristiche che un sistema di comunicazione dovrebbe garantire per il corretto funzionamento di questi dispositivi sono: l’affidabilità, un ridotto ritardo nelle comunicazioni, la mancanza di errori nella trasmissione dei dati, la necessità di sincronizzare correttamente i dati provenienti da diversi punti della rete, la semplicità di configurazione e di interfaccia comunicazione-relè [127]. In ogni caso il sistema proposto in 5.3 ha integrati al suo interno dei dispositivi di massima corrente in grado di effettuare un’azione di backup nel caso di mancato funzionamento del dispositivo differenziale di linea (anche se non possono prevenirne scatti intempestivi). Gli stessi sistemi con protezioni di massima corrente a soglie adattabili possono essere soggetti a malfunzionamenti dati dalla mancata comunicazione ai dispositivi dello stato della rete, che quindi non sarebbero in grado di adattare le soglie di intervento allo stato di esercizio del sistema. Infine anche i sistemi di protezione alla sbarra, seppure in forma minore, possono essere influenzati da malfunzionamenti dei canali di comunicazione. Uno sviluppo futuro del lavoro potrebbe consistere in una analisi più accurata dei canali di comunicazione valutandone l’impatto sul funzionamento dei dispositivi.
Infine dalle simulazioni eseguite appare chiaro come nessuno dei sistemi proposti riesca a garantire allo stesso tempo la protezione della rete in maniera affidabile e selettiva in ogni condizione di guasto e configurazione della rete. Se infatti con le protezioni di massima corrente o differenziali di linea si possono raggiungere livelli di selettività elevati nell’estinzione dei guasti, esse sono soggette a deficit di affidabilità nel caso di guasti con correnti di guasto molto ridotte. Un sistema che si è invece dimostrato affidabile in ogni configurazione di rete è il sistema con unità centrale di controllo presentato in 5.4. Questo infatti ha dimostrato mancanza di affidabilità solo per guasti in sbarra di distribuzione. Il problema però, come già visto in precedenza, può essere facilmente risolto andando ad inserire nella logica di controllo dell’unità centrale, che già raccoglie i valori di corrente provenienti dai rami, un elemento differenziale di sbarra atto ad individuare questo tipo di guasti. Ciò che invece compromette maggiormente l’uso di questo sistema è la bassa selettività che il sistema è in grado di garantire nell’apertura del guasto (esso infatti interviene aprendo l’intero ramo guasto e non solo la porzione di rete a valle di questo). Perciò un sistema che andasse ad integrare le protezioni di massima corrente a soglie adattabili con un’unità centrale (simile a quella proposta in 5.4) atta a svolgere un’azione di backup in caso di mancato intervento delle protezioni di massima corrente riuscirebbe a garantire una protezione ottimale della rete. Per andare a verificare l’effettiva efficacia di tale sistema si è andati ad implementarne il controllo in DIgSILENT PowerFactory e il suo funzionamento è presentato brevemente in seguito.