Capitolo 2
Strutture di allacciamento di un
impianto eolico alla rete MT
Le centrali eoliche sono allacciate alle reti di distribuzione con reti di struttura radiale o ad anello realizzate generalmente in cavo. In questo capitolo si analizzano i vantaggi e gli svantaggi legati a queste due tipologie di rete di allacciamento, evidenziando gli aspetti legati ai sistemi di protezione. Vengono presentate strutture radiali e ad anello per l’allacciamento degli aerogeneratori di una centrale eolica alla sbarra MT in prossimità dell’impianto; il collegamento dell’impianto al punto di consegna dell’energia è per tutte le soluzioni con linea radiale (figura 2.1). Dove non specificato, si considera trascurabile lato MT il contributo al corto degli aerogeneratori rispetto a quello della rete di distribuzione.
RETE ALLACCIAMENTO AEROGENERATORI PUNTO DI CONSEGNA SBARRA MT IN PROSSIMITA' DELL'IMPIANTO
Figura 2.1: Schema unifilare semplificato della struttura di allacciamento di un impianto eolico alla rete
2.1 Reti radiali
Una rete di allacciamento radiale può essere realizzata con linee separate ognuna dedicata ad un singolo aerogeneratore (rete ”a”, figura 2.2) o con linee radiali che collegano insieme più macchine (rete “b”, figura 2.2).
Punto di consegna Punto di consegna
Rete “a”
- Sistema di protezione: semplice ed altamente selettivo (paragrafo 2.1.1).
- Continuità della produzione: un guasto su una linea comporta l’apertura dell’aerogeneratore ad essa connesso, mentre gli altri aerogeneratori dell’impianto rimangono in produzione.
Rete “b”
- Sistema di protezione: complicazione nella protezione dell’impianto e perdita di selettività nella rilevazione del guasto monofase a terra (paragrafo 2.1.1).
- Continuità della produzione: un guasto su una linea comporta l’apertura di tutti gli aerogeneratori situati a valle rispetto a questa.
Fissata la posizione di ogni singolo aerogeneratore nel sito di installazione dell’impianto, l’allacciamento con rete radiale “b” consente di utilizzare tronchi di cavo ciascuno di lunghezza inferiore ai corrispondenti tratti di linea che si dovrebbero utilizzare per realizzare l’allacciamento con rete radiale “a”. Il vantaggio in termini economici derivante dall’utilizzo di una struttura radiale di tipo “b” risulta essere evidente se si considera il fatto che i costi di stesura sono strettamente dipendenti dalla lunghezza dei cavi da posare.
2.1.1 Sistema di protezione reti radiali
Rete radiale “a”
L’impianto è completamente protetto con dispositivi di protezione installati alle partenze di ogni linea, con la protezione del dispositivo generale (PG) e con le protezioni a bordo macchina degli aerogeneratori (figura 2.3).
SEZIONE RICEVITRICE PROTEZIONE GENERALE P1a P1b P1c L1 L2 L3 L
Una struttura del tipo rappresentato in figura 2.3 consente un coordinamento delle protezioni semplice e funzionale: essendo l’allacciamento realizzato con solo due tronchi di linea in serie, è sufficiente tarare le P1 per intervento istantaneo e ritardare di un gradino la PG. Questo permette di contenere ad un valore limitato il tempo di eliminazione del guasto in maniera conforme alle prescrizioni dell’ente distributore.
• Guasti plurifase
La rete può essere protetta da guasti plurifase con dispositivi a massima corrente. Un guasto sulla linea L1 provoca lo scatto istantaneo della P1a e della protezione a bordo macchina (figura 2.4). L’elemento sede di guasto viene in questo modo escluso rapidamente. Il mancato intervento della protezione P1a è seguito dallo scatto in secondo gradino della PG.
SEZIONE RICEVITRICE PROTEZIONE GENERALE P1a P1b P1c L1 L2 L3
Figura 2.4: Protezione della rete radiale “a” con relè a massima corrente: guasto sulla linea L1
Se l’impianto è allacciato ad una rete debole si può avere funzionamento anomalo del sistema di protezione; in caso di guasto su L, la corrente di corto erogata dagli aerogeneratori (prima che vengano disconnessi dalla protezione a bordo macchina) può portare allo scatto delle protezioni P1. In questo modo il tronco di linea sede di guasto è aperto, ma risultano scattate tutte le protezioni dell’impianto (figura 2.5). SEZIONE RICEVITRICE PROTEZIONE GENERALE P1a P1b P1c L1 L2 L3 L
Figura 2.5: Protezione della rete radiale “a” con relè a massima corrente:guasto sulla linea L
• Guasto monofase a terra
La rete è esercita a neutro isolato, per cui il guasto monofase a terra comporta deboli correnti capacitive di difficile rilevazione. La rete di allacciamento a struttura radiale consente una rilevazione di queste correnti efficace e selettiva ottenuta mediante le protezioni direzionali di terra. I relè direzionali di terra sono protezioni varmetriche, sentono il verso della potenza reattiva omopolare.
A seguito di un guasto monofase a terra nella rete si ha circolazione di correnti omopolari. Le correnti omopolari delle linee sane hanno direzione opposta rispetto alla corrente omopolare che attraversa il montante della linea guasta. Il confronto della direzione di queste correnti, prendendo la tensione omopolare come grandezza di riferimento, permette l’individuazione della linea guasta. La rete di allacciamento è completamente protetta con protezioni direzionali su ogni linea e sul dispositivo generale. In caso di guasto monofase a terra su L1, la corrente omopolare si richiude attraverso le capacità delle linee come indicato in figura 2.6. Io RET E DI DIST RIBUZIONE p1a p1b p1c L1 L2 L3 L PG
Figura 2.6:Circuito alla sequenza omopolare della rete radiale “a”:guasto monofase a terra sulla linea L1
Un eventuale guasto su L1 comporta lo scatto di p1a;se p1a non apre, interviene di secondo gradino la direzionale del dispositivo generale. Se una fase della linea L va a terra interviene solo la PG.
Rete radiale “b” Sezione ricevitrice L2b L1a L1b L2a L3a L3b P1a P1b PG L
• Guasti plurifase
Protezione selettiva dell’impianto può essere ottenuta con protezioni a massima corrente all’inizio di ogni tronco di linea (figura 2.7). Il coordinamento dei dispositivi di protezione risulta essere problematico. Il problema è legato essenzialmente alla temporizzazione delle protezioni. Ottenere selettività cronometrica significa ritardare ogni protezione rispetto a quella valle; già in una struttura con tre tronchi di linea in serie, la protezione del dispositivo generale viene ad essere tarata per intervento di quarto gradino, e ciò comporta generalmente un tempo di eliminazione del guasto non conforme ai limiti tecnici dei componenti dell’impianto, e alle prescrizioni dell’ente distributore. In generale la lunghezza dei cavi non è sufficiente a realizzare un sistema di protezione con selettività amperometrica. Il problema della temporizzazione può essere risolto utilizzando dispositivi di protezione a microprocessore strutturati per realizzare selettività di tipo logico[3]: un guasto su L2a ad esempio,viene rilevato dalla PG, dalla P1a e dalla P2a, ma interviene (istantaneamente) solo la protezione (P2a) che non ha ricevuto il segnale di blocco da quella immediatamente a valle (P3a). Un sistema di questo tipo garantisce una protezione selettiva ed efficace.
Punto di consegna Segnale di stop PG P1a P2a P3a L L1a L2a L3a Segnale di stop
Figura 2.8:Rete radiale “b” protetta con relè a massima corrente coordinati in selettività logica:guasto trifase su L2a
• Guasto monofase a terra
La rilevazione del guasto monofase può essere effettuata con protezioni direzionali di terra sulle linee e sul dispositivo generale (figura 2.9). La struttura della rete in questione è tale da non permettere una protezione selettiva; un guasto su L3a, ad esempio, comporta lo scatto di p1a e quindi l’apertura di tre tronchi di linea (figura 2.10). PG p1a p1b L1a L2a L3a L1b L2b L3b L Sezione ricevitrice
RET E DI DIST RIBUZIONE Io PG p1a p1b L1a L2a L3a L L1b L2b L3b
Figura 2.10:Circuito equivalente alla sequenza omopolare della rete radiale “b”:
2.2 Rete a semianello
La rete di allacciamento a semianello (figura 2.11) si differenzia dalla struttura radiale “b” presentata al paragrafo 2.1 per la presenza di una linea di back-up. Di seguito sono riportate le caratteristiche principali della struttura a semianello:
- Sistema di protezione: coordinamento dei dispositivi di protezione problematico; requisiti di selettività ottenibili a prezzo di una notevole complicazione (paragrafo 2.2.1).
- Stesura cavi: considerazioni analoghe a quelle svolte per la rete radiale “b” (paragrafo 2.1.1).
-
Continuità della produzione: in caso di guasto, il cavo danneggiato viene sezionato, la linea di back-up chiusa e si funziona senza che sia aperta alcuna unità(si tratta di una continuità della produzione solo parziale dato che le operazioni di sezionamento della linea guasta e di chiusura della linea di back-up comportano l’esclusione temporanea degli aerogeneratori a valle del cavo guasto).Punto di consegna
2.2.1 Sistema di protezione della rete a semianello
Guasti plurifase
Proteggere selettivamente una rete di allacciamento MT gestita in semi anello comporta soluzioni complicate con i costi ad esse connessi.
Sezione ricevitrice
PG
Se lato MT il contributo al corto degli aerogeneratori è trascurabile, lo stato di guasto è rilevato con la corrente di corto circuito erogata dalla rete. La chiusura dell’anello in caso di fuori servizio di una linea comporta, su alcuni tratti di cavo, l’inversione della corrente di corto di rete. Per questi cavi si rendono necessarie due protezioni (figura 2.12).
Data la struttura della rete il coordinamento di protezioni a massima corrente risulta essere problematico. I problemi sono essenzialmente legati alla temporizzazione delle protezioni e alla bidirezionalità dei flussi di potenza.
- Temporizzazione delle protezioni: in maniera analoga a quanto visto per la rete radiale ”b”, la cronometrizzazione dei dispositivi di protezione comporta tempi di eliminazione del guasto non accettabili. Anche in questo caso, il problema può essere risolto realizzando una selettività di tipo logico.
- Bidirezionalità dei flussi di potenza: il fatto che la corrente di corto erogata dalla rete di distribuzione possa assumere verso opposto a seconda che la linea di back-up sia chiusa o aperta, può portare a scatti intempestivi delle protezioni e quindi perdita di selettività nella rilevazione del guasto. Questo problema può essere risolto dotando le protezioni di relè direzionali. In caso di allacciamento dell’impianto ad una rete debole, la corrente di corto degli aerogeneratori può dar luogo a scatti intempestivi delle protezioni anche in presenza di relè direzionali.
Per evitare che guasti sui trasformatori siano aperti dalle protezioni dai cavi e garantire una rapida rilevazione del componente guasto devono essere installati dispositivi di protezione anche sui trasformatori (lato MT, dato che lato BT interviene la protezione dell’aerogeneratore).
In base a quanto esposto risulta evidente che per la struttura di allacciamento a semianello, la selettività del sistema di protezione, può essere ottenuta solo a fronte di una notevole complicazione di impianto, complicazione che comporta spesso costi ingiustificati data la relativa infrequenza di guasti su linee in cavo.
Guasto monofase a terra
La corrente omopolare fluisce nei cavi a seguito di un guasto monofase a terra come indicato in figura 2.13.
RETE DI DISTRIBUZIONE Io p1 p2 PG A
Figura 2.13:Circuito equivalente alla sequenza omopolare della rete di allacciamento a semianello:guasto su L3
Protezioni direzionali di terra alle partenze delle linee e sul dispositivo generale assicurano la protezione in caso di guasto monofase a terra. Per guasti a valle della sbarra interviene la protezione p1 (oppure la p2, a seconda che sia aperta o chiusa la linea di back-up), indipendentemente dal tronco di linea in cui è localizzato il guasto: anche questa tipologia di struttura comporta una perdita di selettività nella rilevazione del guasto. Per guasti a monte della sbarra A interviene la PG in maniera del tutto analoga a quanto visto per la rete di allacciamento a struttura radiale.
