sequenza diretta
6.1.3 Simulazioni di guasto alla sbarra
Durante le simulazioni dei guasti in sbarra si è andati a confrontare tra gli altri anche il funzionamento del sistema di protezione con relè di massima corrente a soglie adattabili con differenziale di sbarra in corrente (privo di sblocco voltmetrico). In questo modo è possibile vedere i benefici apportati da questo elemento al sistema di protezione di massima corrente.
6.1.3.1 Guasto Z1 (trifase a 10 Ω)
Fig. 6.13 - Valutazione protezioni su guasto Z1 in sbarra
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Adaptive 51 MV microprocessor MMC PSP V/I line-differential
Line 2-08 : single phase-to-ground fault (Z6=150Ω)
Grid-connected Island Island no sync
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Adaptive 51
Adapt51 with busbar-differential
MV microprocessor MMC
PSP V/I line-differential
Busbar : three-phase fault (Z1=10Ω)
159
Dalle simulazioni effettuate con guasto trifase a 10+j0Ω si può subito notare l’efficacia, in ogni configurazione di esercizio, del differenziale di sbarra in corrente adottato nel sistema di protezione con relè di massima corrente modificato e nel sistema centralizzato con PSP. Anche il sistema basato su dispositivi differenziali di linea è in grado di far fronte all’estinzione ottimale del guasto con rete in isola. In queste due situazioni infatti il dispositivo differenziale di linea con controllo in tensione è in grado di percepire il guasto in sbarra e quindi aprire i settori di ramo ad essa affacciati. Questo però non avviene nella configurazione grid-connect dove, con lo scatto dei SPI dei generatori non si vengono a generare le condizioni tali per far intervenire i dispositivi di protezione della rete. Il sistema con MMC non essendo concepito per intervenire su guasti in sbarra in questo caso riscontra numerose difficoltà sia nella sensibilità al guasto che soprattutto alla sua estinzione (in quanto programmato per poter intervenire nell’apertura di un ramo al massimo ogni 5s). Il sistema con dispositivi a microprocessore invece pur essendo in grado di aprire la rete in maniera integrale all’incorrere del guasto durante i funzionamenti in isola, non riesce a fare altrettanto nella configurazione grid-connected. Infatti essendo il guasto posizionato a monte dell’ultima protezione di massima corrente esso non è in grado di disalimentare il guasto prima dell’intervento dei sistemi di interfaccia dei generatori. Lo stesso problema chiaramente è associato alle protezioni di massima corrente con soglie adattabili che in ogni stato della rete non sono in grado di percepire la presenza del guasto ed agire in modo da isolarlo.
6.1.3.2 Guasto Z2 (fase-terra a 20+j10 Ω)
Fig. 6.14 - Valutazione protezioni su guasto Z2 in sbarra
Nel caso di guasto monofase-terra di impedenza 20+j10Ω in sbarra anche il sistema con dispositivi differenziali di linea non sono in grado di determinare la presenza del cortocircuito. Gli unici elementi ad intervenire in questo caso infatti sono i soli dispositivi a monte dei generatori che scattano per massima corrente alla sequenza inversa. Nel caso di rete in isola con soli generatori statici invece sono solo gli SPI dei generatori ad intervenire disalimentando il guasto.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Adaptive 51
Adapt51 with busbar-differential
MV microprocessor
MMC PSP
V/I line-differential
Busbar : single phase-to-ground fault (Z2=20+j10Ω)
160 6.1.3.3 Guasto Z3 (bifase a 50+j20 Ω)
Fig. 6.15 - Valutazione protezioni su guasto Z3 in sbarra
Un funzionamento pressoché analogo si ha nel caso di guasto bifase di impedenza 590+j20Ω. In questo caso infatti i soli elementi a garantire l’estinzione del guasto in maniera selettiva (e non solo andando a disconnettere una parte o la totalità dei generatori distribuiti) sono quei sistemi dotati di differenziale di sbarra. L’eccezione è data dal sistema di protezione con relè di massima corrente che nel funzionamento in isola senza supporto del generatore sincrono non sono in grado di riconoscere la presenza del guasto, lasciando ai soli SPI il compito di disconnettere i generatori andando a disalimentare il guasto.
6.1.3.4 Guasto Z4 (trifase a 75 Ω)
Fig. 6.16 - Valutazione protezioni su guasto Z4 in sbarra
Nel caso di guasto trifase di impedenza 75+j0Ω si ha un funzionamento analogo a quello ottenuto con l’evento simulato in precedenza, ma con un ulteriore deterioramento delle prestazioni delle protezioni. Infatti in questa circostanza il guasto non viene nemmeno riconosciuto dai dispositivi differenziali di linea in tutte le configurazioni di rete, dal sistema centralizzato con MMC con rete in isola e grid-connected, dal controllo di minima tensione dei microprocessori di protezione con rete grid-connected e, come nel caso precedente, dalle protezioni di massima corrente a soglie adattabili
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Adaptive 51
Adapt51 with busbar-differential
MV microprocessor
MMC PSP
V/I line-differential
Busbar : 2phase fault (Z3=50+j20Ω)
Grid-connected Island Island no sync
0 0,2 0,4 0,6 0,81 Adaptive 51
Adapt51 with busbar-differential
MV microprocessor MMC
PSP V/I line-differential
Busbar : three-phase fault (Z4=75Ω)
161 6.1.3.5 Guasto Z5 (fase-terra a 100+j10 Ω)
Fig. 6.17 - Valutazione protezioni su guasto Z5 in sbarra
All’incorrere del guasto fase-terra di impedenza 100+j10Ω si può notare un funzionamento pressoché analogo a quello presentato in precedenza con interventi ottimali da parte del differenziale di sbarra, nonostante l’elevata impedenza di guasto, e malfunzionamenti degli altri sistemi analizzati.
6.1.3.6 Guasto Z6 (fase-terra a 150 Ω)
Fig. 6.18 - Valutazione protezioni su guasto Z6 in sbarra
Anche nel caso di guasto fase-terra con impedenza di 150+j0Ω si ha un comportamento analogo dei sistemi. Questo evento tuttavia, ad esclusione di rari casi, comporta ulteriori difficoltà dal punto di vista della disalimentazione del guasto, rispetto alle situazioni precedenti, in quanto anche gli SPI dei diversi generatori nelle differenti modalità di funzionamento non sono sensibili all’avvenuto guasto.
0 0,2 0,4 0,6 0,81 Adaptive 51
Adapt51 with busbar-differential
MV microprocessor MMC
PSP V/I line-differential
Busbar : single phase-to-ground fault (Z5=100+j10Ω)
Grid-connected Island Island no sync
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Adaptive 51
Adapt51 with busbar-differential
MV microprocessor
MMC PSP
V/I line-differential
Busbar : single phase-to-ground fault (Z6=150Ω)
162
6.1.4 Simulazioni di guasto al nodo 3-06
6.1.4.1 Guasto Z1 (trifase a 10 Ω)Fig. 6.19 - Valutazione protezioni su guasto Z1 al nodo 3-06
Un altro punto critico per l’analisi dell’affidabilità dei sistemi in esame è il nodo 3-06. In particolare nell’eventualità che si abbia un guasto trifase con impedenza 10+j0Ω si può notare come le protezioni di massima corrente e differenziali di linea siano ancora una volta quelle che garantiscono un’estinzione del guasto più selettiva possibile, ad eccezione dei guasti in isola in cui si hanno degli scatti intempestivi del SPI del generatore sincrono e delle protezioni installate al nodo 3-03 a monte di quello adibito all’apertura. I sistemi di protezione alla sbarra PSP e MMC invece sono in grado di aprire correttamente il ramo guasto, ma nel funzionamento in isola il loro intervento non riesce ad impedire lo scatto intempestivo di altri dispositivi (in particolare il SPI del generatore sincrono nel funzionamento in isola e degli altri SPI nel caso di funzionamento in isola senza macchina rotante). Per quanto riguarda il sistema di protezione basato sui dispositivi a microprocessore si possono distinguere i due diversi funzionamenti: in isola, con apertura di tutte le protezioni in rete e in grid-connected, dove in questo caso si assiste ad una perdita di selettività in quanto all’incorrere del guasto si ha l’intervento di tutti i dispositivi nel ramo (dovuto al ritardo intenzionale introdotto nell’apertura in funzione della direzione del guasto che fa scattare tutte le protezioni del ramo tramite soglia a tempo indipendente).
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Adaptive 51 MV microprocessor MMC PSP V/I line-differential
Term 3-06 : three-phase fault (Z1=10Ω)
163 6.1.4.2 Guasto Z2 (fase-terra a 20+j10 Ω)
Fig. 6.20 - Valutazione protezioni su guasto Z2 al nodo 3-06
Nel caso di guasto monofase-terra di impedenza 20+j10Ω si osserva in particolare un deterioramento netto dell’affidabilità garantita dalle protezioni di massima corrente e differenziali di linea nel funzionamento in isola senza generatore sincrono. Infatti entrambi i sistemi non sono in grado di percepire l’avvenuto guasto in questa configurazione di rete, tanto che i soli SPI fanno sì che venga disalimentato il guasto. Questo netto peggioramento non si nota invece negli altri sistemi di protezione che sono in grado di individuare il guasto in tutte le configurazioni di rete. Tuttavia se le prestazioni date dalla protezione con MMC possono ritenersi selettive, la stessa cosa non si può dire per il sistema con PSP dove, in particolare con rete in isola alimentata da soli generatori statici, il controllo sulla variazione d’impedenza comanda l’apertura erronea di un ramo sano. Un caso particolare si ha invece per quanto riguarda il sistema con microprocessori nel funzionamento in isola. Infatti il sistema, nonostante sia basato sulle sole protezioni di minima tensione, rispetto ai casi precedenti riesce a garantire una selettività limitata nell’isolamento del guasto con la sola apertura del ramo guasto e della porzione di rete più lontana dalla sbarra di distribuzione a monte del PV2.
6.1.4.3 Guasto Z3 (bifase a 50+j20 Ω)
Fig. 6.21 - Valutazione protezioni su guasto Z3 al nodo 3-06
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Adaptive 51 MV microprocessor MMC PSP V/I line-differential
Term 3-06 : single phase-to-ground fault (Z2=20+j10Ω)
Grid-connected Island Island no sync
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Adaptive 51 MV microprocessor MMC PSP V/I line-differential
Term 3-06 : 2phase fault (Z3=50+j20Ω)
164
Nel caso di guasto bifase di impedenza 50+j20Ω si assiste invece ad un funzionamento adeguato delle protezioni di massima corrente e differenziali di linea. Anche in questo caso poi il sistema con MMC è in grado di individuare correttamente il guasto anche se non riesce a prevenire lo scatto dei SPI dei generatori nel funzionamento in isola con e senza generatore sincrono connesso. In questa situazione il sistema che presenta dei problemi particolari è quello con PSP che nei funzionamenti in isola non è in grado di intervenire tempestivamente nell’apertura del solo ramo guasto.
6.1.4.4 Guasto Z4 (trifase a 75 Ω)
Fig. 6.22 -Valutazione protezioni su guasto Z4 al nodo 3-06
Nel caso di guasto trifase a 75+j0Ω si nota un comportamento adeguato di tutti i sistemi. In particolare differenziali di linea, protezioni con soglie adattabili e sistema di protezione centralizzato con MMC hanno un funzionamento ottimale (entro i loro limiti strutturali). Anche il sistema a microprocessori, nella configurazione in isola, è in grado di garantire una certa selettività nell’estinzione del guasto andando ad aprire il solo ramo guasto.
6.1.4.5 Guasto Z5 (fase-terra a 100+j10 Ω)
Fig. 6.23 - Valutazione protezioni su guasto Z5 al nodo 3-06
Come nel caso di guasto Z2, anche nell’evenienza di cortocircuito a maggiore impedenza (100+j10Ω) ci si trova di fronte a deficit di affidabilità da parte di molti sistemi (in particolare nella configurazione
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Adaptive 51 MV microprocessor MMC PSP V/I line-differential
Term 3-06 : three-phase fault (Z4=75Ω)
Grid-connected Island Island no sync
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Adaptive 51 MV microprocessor MMC PSP V/I line-differential
Term 3-06 : single phase-to-ground fault (Z5=100+j10Ω)
165
in isola senza generatore sincrono), ad esclusione del sistema centralizzato con MMC che è in grado di individuare l’avvenuto guasto e isolarlo in maniera opportuna. Le mancanze maggiori si riscontrano nel funzionamento del sistema PSP con rete in isola e grid-connected, in quanto non viene attivato lo sblocco voltmetrico, e in quelle dei differenziali di linea e dispositivi di massima corrente con rete in isola senza sincrono, in quanto la corrente di guasto risulta leggermente superiore alla soglia di intervento impostata per lo scatto il che comporta interventi in tempi prolungati che non garantiscono l’isolamento del guasto prima dell’apertura dei SPI.
6.1.4.6 Guasto Z6 (fase-terra a 150 Ω)
Fig. 6.24 -Valutazione protezioni su guasto Z6 al nodo 3-06
Il caso con cortocircuito fase-terra di impedenza 150+j0Ω risulta analogo a quello precedente con una sola differenza. In questa situazione infatti le correnti di guasto sono al di sotto della soglia di intervento e gli stessi SPI non sono sensibili al guasto in rete durante il funzionamento in isola senza sincrono. Nonostante questo però si può notare come il sistema MMC sia in grado di individuare ed isolare il guasto in ogni configurazione di rete dimostrando un grado di affidabilità molto elevato al variare sia della specie di guasto che tipologia d’esercizio della rete.
6.2 Comportamento dei sistemi di protezione
In seguito si presenta il comportamento dei differenti sistemi di protezione testati in funzione del tipo di guasto simulato al variare della configurazione di esercizio della rete e del punto di guasto.