SVILUPPO DEL SOFTWARE PER IL CALCOLO AUTOMATICO

La procedura fin qui descritta è stata implementata in un software di calcolo, al fine di rendere la sua applicazione automatica per questo come per altri impianti di alta tensione. Tale software di calcolo, sviluppato con Microsoft Excel, è strutturato su più pagine, ognuna delle quali avente una finalità precisa. La prima è Inserimento dati, una cui schermata è riportata in Figura 3.6, e consente l’inserimento di tutti i dati necessari per ognuno dei passi della procedura analitica di coordinamento dell’isolamento. In essa, vanno inseriti i dati ambientali e di impianto utilizzati in tutte le formule riportate nel presente capitolo. Tali formule sono poi implementate nel foglio Risultati che a partire dai dati inseriti calcola direttamente le sovratensioni rappresentative, le tensioni di tenuta, le conversioni nei livelli d’isolamento normalizzati e le distanze in aria relative a questi ultimi. La Figura 3.7. ne riporta una parte.

Si noti che tali fogli presentano, oltre alle formule e definizioni necessarie, anche un’ampia descrizione di tutta la procedura, al fine di rendere il loro utilizzo agevole per studi simili a quello qui esposto.

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Document: Revi s i on Da te:

1. Fattori per la determinazione delle sovratensioni rappresentative 1.1. Dati generali Um = 245 kV Ups = 416 kV Upl = 452 kV Al ti tude = 1460 m.s .l.m. Pol l uti on = 1 -X = 800 m n = 1 -L = 16,9 m Ls p = 300 m 1.2. Sovratensioni temporanee

Fa ttore di gua s to K= 1,3 p.u.

Fa ttore Perdi ta di Ca ri co 1,2 p.u.

1.3. Sovratensioni a fronte lento

1.3.1. Energizzazione

Ue2 (i ngres s o l i nea )= 2,9 p.u. Up2 (i ngres s o l i nea )= 4,30 p.u. Ue2 (a l tre a ppa recchi a ture)= 1,7 p.u. Up2 (a l tre a ppa recchi a ture)= 2,69 p.u.

1.3.2. Richiusura trifase

Ue2 (i ngres s o l i nea )= 4 p.u. Up2 (i ngres s o l i nea )= 5,96 p.u. Ue2 (a l tre a ppa recchi a ture)= 2,5 p.u. Up2 (a l tre a ppa recchi a ture)= 3,94 p.u.

Insulation Coordination Study: data for calculations

Di s egui to vengono ri porta ti i da ti genera l i del l 'i ns ta l l a zi one:

Il fa ttore di gua s to a terra è ca l col a to nel punto di gua s to us a ndo l e i mpedenze compl es s e Z1 e Z0 del l e componenti di s equenza di retta ed omopol a re, tenendo conto del l a res i s tenza di gua s to R, come i ndi ca to nel l 'a l l ega to B del l a norma IEC 60071-2.

Per i s i s temi 220 kV può es s ere cons i dera to un va l ore cons erva ti vo di k=1,3. Per i s i s temi 110 kV può es s ere cons i dera to un va l ore cons erva ti vo di k=1,4. Ana l i zza ndo l e s ovra tens i oni tempora nee, s i ra ccoma nda di tenere pres ente che:

Tensione massima delle apparecchiature.

Livello di protezione agli impulsi di manovra dello scaricatore (tensione residua massima alla corrente di manovra nominale selezionata).

Livello di protezione ad impulso atmosferico dello scaricatore (tensione residua massima alla corrente di scarica nominale selezionata, cap. 2.2.3.1 IEC 60071-2).

Altitudine (in metri sul livello del mare) alla quale sono installate le apparecchiature.

Il livello di inquinamento del luogo in cui si trova l'apparecchiatura è determinato secondo la norma IEC 507 e determina le distanze superficiali nominali minime richieste per gli isolatori, necessarie per la tenuta degli stessi in caso di sovratensioni temporanee.

Lunghezza minima della linea entrante che è protetta dalle scariche atmosferiche tramite fune di guardia. Numero di linee entranti nella sottostazione.

Distanza di separazione tra lo scaricatore e l'oggetto da proteggere, definita come Fig. 3 della IEC 60071-2. Lunghezza di campata.

1.in ca s o di perdi ta compl eta del ca ri co i n s i s temi di a l i menta zi one di medi a es tens i one, l a s ovra tens i one fa s e-terra è genera l mente 2.nei s i s temi es tes i , i n ca s o di perdi ta compl eta del ca ri co, l e s ovra tens i oni fa s e-terra pos s ono a rri va re a 1,5 p.u., e a nche di pi ù i n ca s o di effetto Ferra nti o di fenomeni di ri s ona nza ;

3.nel ca s o di di s ta cco di s ol o ca ri co non rota nte, l a s ovra tens i one l ongi tudi na l e è norma l mente ugua l e a l l a s ovra tens i one fa s e-terra . In s i s temi con motori o genera tori s ul l a pa rte di s connes s a , una s epa ra zi one del l a rete può porta re a d una s ovra tens i one tempora nea l ongi tudi na l e compos ta da due s ovra tens i oni fa s e-terra i n oppos i zi one di fa s e, l a cui a mpi ezza ma s s i ma è norma l mente i nferi ore a 2,5 p.u. (s i pos s ono os s erva re va l ori pi ù el eva ti i n ca s i eccezi ona l i , come, p.e., i n s i s temi a d a l ta tens i one es tes i s s i mi ).

(Nota: Dal punto di vista delle sovratensioni, è opportuno fare una distinzione tra i vari tipi di configurazione. Come casi estremi si possono considerarei sistemi con linee relativamente corte ed elevato valore della potenza di cortocircuito alle stazioni terminali, dove si determinano piccole sovratensioni e i sistemi con linee lunghe e basso valore della potenza di cortocircuito alle sbarre di generazione. In queste configurazioni, tipiche di in un sistema ad altissima tensione allo stadio iniziale, si possono manifestare sovratensioni elevatissime, quando si disconnette bruscamente un grande carico.)

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Vi sono infine delle ulteriori pagine focalizzate su aspetti particolari della procedura analitica, e il cui scopo è quello di fornire determinati parametri. Queste sono:

- Calcolo di Ra e Rkm: esso permette, inserendo tasso ceraunico e dati relativi alla linea aerea entrante, di calcolare il tasso di guasto annuale per una linea aerea per una progettazione di un km, così come definito nell’allegato F della norma IEC 60071-2. Tale fattore, come visto al paragrafo 3.3.2 è fondamentale per il calcolo della tensione di tenuta agli impulsi atmosferici;

1. Determinazione delle sovratensioni rappresentative

Tensione a frequenza industriale: Sovratensioni temporanee:

3. Combi na zi oni del l e precedenti : Gua s to a terra :

Perdi ta di ca ri co:

Sovra tens i oni l ongi tudi na l i dura nte un'opera zi one di s i ncroni zza zi one:

Sovratensioni a fronte lento:

Chi us ura e ri chi us ura (energi zza zi one):

Gua s to ed el i mi na zi one gua s to:

Caratteristiche scaricatori: Sovratensioni a fronte veloce:

Description Longitudinal

Equipment position Line entrance Line entrance

Insulation External insulation Internal insulation External insulation Internal insulation

Tensione a frequenza industriale

Gua s to a terra

Perdi ta di ca ri co 282,9016319

Sovra tens i oni l ongi tudi na l i dura nte un'opera zi one di s i ncroni zza zi one 282,9016319

Chi us ura e ri chi us ura (energi zza zi one) 675,1406104 989,3281206 Gua s to a terra

El i mi na zi one gua s to Caratteristiche scaricatori Sovratensioni a fronte veloce

2. Determinazione delle tensioni di tenuta di coordinamento

Description Longitudinal

Equipment position Line entrance Line entrance

Insulation External insulation Internal insulation External insulation Internal insulation

Short-duration power-frequency withstand voltage 282,9016319

Switching impulse withstand voltages 456,1779455 870,0448639

Lightning impulse withstand voltage

3. Determinazione delle tensioni di tenuta specificate

Description Longitudinal

Equipment position Line entrance Line entrance

Insulation External insulation Internal insulation External insulation Internal insulation

Short-duration power-frequency withstand voltage 230,9607076 230,9607076 211,4689698 369,2637047 369,2637047 338,1 325,3368767 Switching impulse withstand voltages 565,1844249 498,0823371 460,0958234 1066,823274 739,6553516 675,5101286

Lightning impulse withstand voltage 691,9304511 691,9304511

245

Li vel l o di protezi one a gl i i mpul s i di ma novra del l o s ca ri ca tore (tens i one res i dua ma s s i ma a l l a corrente di ma novra nomi na l e s el ezi ona ta ), mol ti pl i ca ta per 2 per i l fa s e-fa s e.

La s ci a re s cri tto =#VALORE! s e non s i di s pone di ri s ul ta ti deri va nti da s i mul a zi oni di na mi che di s i s tema .

Il pri mo pa s s o cons i s te nel determi na re l e s ol l eci ta zi oni cui può es s ere s ottopos to i l s i s tema . Ques te s ono cos ti tui te da l l a tens i one ma s s i ma nel norma l e es erci zi o, l e s ovra tens i oni a frequenza i ndus tri a l e, l e s ovra tens i oni i mpul s i ve a fornte l ento (norma l mente dovute a ma novre i nterne a l s i s tema ) e s ovra tens i oni i mpul s i ve a fronte vel oce (norma l mente dovute a s ca ri che di ori gi ne a tmos feri ca ).

4. Sca ri che l onta ne: va nno pres e i n cons i dera zi one nei ca s o di s i s temi a venti l i nee a eree l unghe (>100km) In ques to s tudi o è qui ndi pres o i n cons i dera zi one s ol o i l ca s o di energi zza zi one del l a l i nea .

Una s ti ma cons erva ti va del l e s ovra tens i oni ra ppres enta ti ve a fronte l ento che s i pos s ono pres enta re i n ca s o di gua s to o di s ua el i mi na zi one è da ta da l l e formul e s eguenti .

- gua s to: Uet=(2k-1)Us *ra dq(2)/ra dq(3) (kVpi cco) - el i mi na zi one gua s to: Uet=2Us *ra dq(2)/ra dq(3) (kVpi cco)

Entra mbe ques te s ovra tens i oni s i a ppl i ca no es cl us i va mente tra fa s e e terra e va nno pres e i n cons i dera zi one nel ca mpo I s e neutro è mes s o a terra tra mi te bobi na di compens a zi one o i s ol a to e nel ca mpo II s e l e s ovra tens i oni dovute a chi us ura e ri chi us ura (genera l mente pi ù el eva te) s ono l i mi ta te a va l ori i nferi ori a 2 p.u..

E' l a tens i one ma s s i ma del s i s tema i n condi zi oni n di es erci zi o norma l i . E' un da to noto.

Si tra tta di s ovra tens i oni a frequenza pros s i ma a quel l a i ndus tri a l e, che pos s ono es s ere dovute a gua s ti , perdi ta di ca ri co, condi zi oni di ri s ona nza o ferrori s ona nza , opera zi oni di s i ncroni zza zi one (s i tra tta i n ques to ca s o di s ovra tens i oni l ongi tudi na l i ) o combi na zi oni del l e precedenti . Abi tua l mente s ol o l e pri me due ca us e vengono pres e i n cons i dera zi one, tra tta ndos i l e a l tre di s ovra tens i one l ega te a condi zi oni pa rti col a ri . In pa rti col a re, per determi na re s e ques te ul ti me va da no pres e i n cons i dera zi one va cons i dera to che:

Un gua s to fra una fa s e e l a terra può ca us a re s ovra tens i oni fa s e-terra s ul l e a l tre due fa s i . Genera l mente non s i producono s ovra tens i oni fra fa s i ne l ongi tudi na l i . Le a mpi ezze di ques te s ovra tens i oni di pendono da l l a mes s a a terra del neutro del s i s tema e da l punto del gua s to. Il va l ore del l a s ovra tens i one vi ene determi na to mol ti pl i ca ndo l a tens i one ma s s i ma di fa s e Um/ra dq(3) per i l fa ttore di gua s to K.

Le s ovra tens i oni tempora nee fa s e terra dovute a una perdi ta di ca ri co di pendono da l ca ri co di s connes s o, da l l a confi gura zi one del s i s tema dopo l a s connes s i one e da l l e ca ra tteri s ti che del s i s tema di a l i menta zi one. La norma IEC 60071-2 forni s ce dei va l ori i n p.u. a ppl i ca bi l i a va ri ti pi di s i s temi e che mol ti pl i ca ti per l a tens i one ma s s i ma del s i s tema forni s cono una s ti ma cons erva ti va di ques te s ovra tens i oni .

Sono s ovra tens i oni i mpul s i ve a venti un fronte di dura ta compres a tra qua l che deci na e qua l che mi gl i a i o di mi cros econdi . Sono dovute genera l mente a i s eguenti fenomeni : chi us ura e ri chi us ura di una l i nea , gua s ti ed el i mi na zi one di gua s ti , perdi ta di ca ri co, i nterruzi one di correnti ca pa ci ti ve o i ndutti ve, s ca ri che l onta ne di ori gi ne a tmos feri ca s u un conduttore di l i nea a erea . Anche i n ques to ca s o , a l cune del l e ca us e s ono l i mi ta te a dei ca s i pa rti col a ri . In pa rti col a re:

La chi us ura e l a ri chi us ura di una l i nea tri fa s e producono s ovra tens i oni di ma novra s ul l e tre fa s i . Di cons eguenza , ci a s cuna ma novra genera tre s ovra tens i oni fa s e-terra e tre s ovra tens i oni tra fa s i corri s pondenti . Per l e a ppl i ca zi oni pra ti che, s ono s ta te i ntrodotte numeros e s empl i fi ca zi oni nel l a va l uta zi one del l e s ovra tens i oni , che pos s ono es s ere determi na te a ttra vers o s tudi di s i s tema . La norma IEC 60071-2 permette comunque di determi na re dei va l ori i n p.u. a ppros s i ma ti per ta l i tens i oni , uti l i zza ndo ri s petti va mente l a fi g. 1 per l a determi na zi one del l e s ovra tens i oni fa s e-terra e l a fi g.2 per l e s ovra tens i oni tra fa s i . Le fi g. 1 e 2 permettono di trova re i va l ori a l 2% del l e di s tri buzi oni del l e s ovra tens i oni (Ue2 e Up2). Le s ovra tens i oni ra ppres ena ti ve s a ra nno ugua l i a i va l ori di tronca tura del l e s tes s e di s tri buzi oni , che pos s ono es s ere trova te (per i s i s temi del ca mpo I) con l e s eguenti rel a zi oni : Uet=1,25*Ue2-0,25 e Upt=1,25*Up2-0,43. Nota : per l e a ppa recchi a ture del ca mpo II (Um>245kV) ques te rel a zi oni non s ono pi ù va l i de (s i veda a l l ega to D IEC 60071-2).

1. Condi zi oni di ri s ona nza o ferrori s ona nza : s i producono genera l mente qua ndo vengono energi zza ti s i s temi con i mporta nti componenti ca pa ci ti vi (l i nee, ca vi , ca vi con compens a zi one s eri e) e i ndutti vi (tra s forma tori rea tta nze s hunt) che pres enta no ca ra tteri s ti che di ma gneti zza zi one non l i nea ri , s i a a s egui to di perdi ta di ca ri co. Ques te s ovra tens i oni non vengono genera l mente cons i dera te nel l a s cel ta degl i s ca ri ca tori e nel di mens i ona mento degl i i s ol a menti , poi ché devono es s ere pi uttos to l i mi ta te, tra mi te modi fi che del l a confi gura zi one del s i s tema , che ca mbi no l a frequenza di ri s ona nza o tra mi te opportune res i s tenze di s morza mento;

2. Opera zi oni di s i ncroni zza zi one: pos s ono genera rs i s ovra tens i oni l ongi tudi na l i ;

1. Gua s to: nei s i s temi del ca mpo I, va nno pres e i n cons i dera zi one s e i l neutro è i s ol a to o mes s o a terra tra mi te bobi na di es ti nzi one, nel qua l ca s o a Um è a ppl i ca to un fa ttore ra dq(3);

2. Perdi ta di ca ri co: s ono ri l eva nti s ol o nei s i s temi del ca mpo II, i n cui l e s ovra tens i oni dovute a energi zza zi one o ri chui s ura non s upera no 2 p.u. 3. Interruzi one di correnti ca pa ci ti ve: pos s ono es s ere i mporta nti i n ca s i pa rti col a ri qua l i l 'i nterruzi one di correnti di s punto dei motori , monovre e funzi ona mento di forni a d a rco, i nterruzi one di correnti con fus i bi l i , ma novre di ba nchi di condens a tori , etc.

/// #VALUE! 416 832 587,4001118 375,0781169 /// 320,0666597 400,0833247 Phase-to-phase [kV] Other equipment Phase-to-ground [kV] Other equipment 755,7077841 755,7077841 183,8860607 294 601,6786531 587,4001118 400,0833247 183,8860607 169,7409791 Sovratensioni temporanee

Sovratensioni a fronte lento

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Phase-to-phase [kV]

Other equipment Other equipment

Le tens i oni di tenuta ri chi es te s ono ottenute mol ti pl i ca ndo l e tens i oni di tenuta per dei fa ttori l ega ti a l l 'a l ti tudi ne (Ka ) e a d a l tri fa ttori (fa ttore di s i curezza Ks ). Ques to permette di trova re del l e tens i oni di tenuta corri s pondenti a l l e condi zi oni di prova e condi zi oni a tmos feri che norma l i zza te a l l e qua l i l e a ppa recchi a ture s ono tes ta te.

Phase-to-ground [kV]

Si ottengono a pa rti re da l l e s ovra tens i oni ra ppres enta ti ve, a ppl i ca ndovi dei fa ttori che tenga no conto del l e i ncertezze rel a ti ve a i va l ori di s ovra tens i one e a l l a tenuta dei di el ettri ci del l e a ppa recchi a ture.

Phase-to-phase [kV]

Other equipment Other equipment

Phase-to-ground [kV]

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- Energizzazione e Richiusura: permette un agevole utilizzo della Figura 1 della

norma IEC 60071-2 (Figura 3.1) per il calcolo dei valori Ue2 relativi alle sovratensioni a fronte lento per chiusura o richiusura di una linea. Implementa inoltre la Figura 2 della norma IEC 60071-2 (Figura 3.2) e ne calcola una linea di tendenza polinomiale, permettendo, per dati valori di Ue2 di calcolare i rispettivi Up2 (si veda il paragrafo 3.1.2). In tal modo, rende disponibile direttamente il valore numerico di Up2, altrimenti ottenibile solo in modo approssimativo dalla suddetta figura; - Fattore deterministico: implementa la Figura 3.3, estrapolando da essa i parametri

delle curve lineari a tratti corrispondenti ai fattori di coordinamento da applicare tra fase e terra e tra fasi. Così facendo, tale foglio restituisce direttamente i valori di Kcd, senza bisogno di ricorrere all’impreciso ausilio grafico;

- Fattore Ka: implementa la Figura 9 della norma IEC 60071-2 relativa alla relazione tra l’esponente m e la tensione di tenuta di coordinamento per gli impulsi di manovra su apparecchiature protette da scaricatore. Dalla figura estrapola poi le funzioni polinomiali relative ai vari tipi di isolamento, permettendo l’utilizzo di tali funzioni per il calcolo diretto di Ka;

- Calcolo distanze da scaricatore: riporta la Figura 3 dalla norma IEC 60071-2;

- Distanza superficiale: riporta la Tabella 1 da norma;

- Distanze in aria: riporta da norma la relazione tra le tensioni normalizzate di tenuta

all'impulso atmosferico e le distanze in aria minime;

- Livelli normalizzati: raccoglie i livelli normalizzati per il campo I, rendendo così

possibile il confronto automatico tra i livelli di tenuta ottenuti dalla procedura e tali livelli normalizzati e la selezione dei più adatti da questi ultimi.

Le schermate relative alle prime tre pagine, così come le schermate complete dei due fogli principali sono riportate nell’appendice A.

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