Politecnico di Bari

Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica

Esame di impianti elettrici

LE PROTEZIONI DEI GENERATORI E TRASFORMATORI; OSCILLAZIONI PENDOLARI.

Docenti : Prof.Ing. P. Pugliese , Prof.Ing. M. Bronzini

Studenti : Bove Sabino Francesco , D’Elia Antonio

PROTEZIONI DEI GENERATORI E DEI

TRASFORMATORI

Introduzione

La protezione delle linee di trasmissione e distribuzione è uno dei capitoli più

interessanti e difficili della tecnica delle protezioni, ma la protezione delle macchine è

altrettanto importante. I guasti si verificano meno frequentemente sulle apparecchiature

di stazione che sulle linee, ma, quando si verificano, producono danni di notevole entità,

che richiedono più tempo e spese per essere riparati che non i guasti sulle linee.

La scelta delle protezioni deve essere quanto mai attenta poiché un non corretto

intervento dei relè è altrettanto pericoloso quanto un mancato intervento.La non

necessaria sconnessione dal sistema di un generatore può sovraccaricare il resto del

sistema e provocare oscillazioni pendolari pericolose per il sincronismo delle altre

macchine. D’altro canto la mancata sconnessione in presenza di guasto può causare

danni di notevole entità al generatore.

La rapidità di intervento ha, in tal caso, una importanza fondamentale per

limitare la entità del danno e diminuire la durata di interruzione del servizio.

PROTEZIONE GENERATORI

Premessa

Nei generatori si possono verificare una gran varietà di condizioni anormali,

come cortocircuiti o interruzioni negli avvolgimenti o nei collegamenti del generatore

alle sbarre, sovracorrenti, funzionamento da motore, guasti nel circuito d’eccitazione ,

velocità anormali, riscaldamento anormale, funzionamento squilibrato, aumento

anormale o diminuzione anormale di tensione ai morsetti, perdita del sincronismo.

Quindi il sistema di protezione di un generatore è costituito da una somma di singoli

sistemi di protezione, ciascuno dei quali fa fronte ad un guasto o ad un funzionamento

anomalo ben definiti dalla macchina.

Il generatore costituisce una delle parti più delicate e costose del sistema

elettrico; perciò, quando si pensa alla sua protezione, si prendono in considerazione

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oltre ai guasti ed ai funzionamenti anomali, anche le eventuali lunghe indisponibilità e i

forti costi di riparazione che seguono.

Quando si verifica un corto circuito sugli avvolgimenti di armatura o sui

collegamenti del generatore, l’interruttore che collega il generatore alle sbarre deve

essere aperto immediatamente per evitare inconvenienti al servizio sul resto della rete e

per interrompere l’alimentazione al guasto da parte degli altri generatori della rete. Ma

ciò non è sufficiente. Contemporaneamente il circuito di campo deve essere aperto in

modo che il generatore non alimenti il guasto da sé. Pochi generatori hanno un

interruttore trifase addizionale per sconnette gli avvolgimenti dal neutro in modo da

aprire anche il circuito delle correnti di guasto, poiché a causa del lento smorzarsi del

flusso e a causa del magnetismo residuo, anche dopo aver aperto l’interruttore sul

circuito di campo, continua a fluire corrente nel circuito delle correnti di guasto

sull’armatura. Occorre inoltre interrompere il flusso del fluido motore al motore primo e

talvolta introdurre delle coppie frenanti. Infine può essere pompato nella macchina del

biossido di carbonio per spegnere incendi dell’isolamento accesi dall’arco di guasto e

ravvivati dal movimento del rotore.

Classificazione guasti

I guasti tipici di un generatore possono essere suddivisi in tre categorie:

1. guasti interni;

2. guasti esterni;

3. funzionamenti anomali;

Per i guasti del tipo 1. i sistemi di protezione coinvolti comandano il blocco della

macchina e direttamente lo scatto della stessa, il relè di blocco esplica le seguenti

funzioni principali:

apertura dell’interruttore di macchina; apertura dell’interruttore di campo; messa in cortocircuito dell’avvolgimento di campo, eventualmente

controeccitandolo; chiusura del distributore della turbina; messa in funzione di dispositivi di raffreddamento ausiliari; emissione di un allarme con indicazione della protezione intervenuta.

I guasti interni nei generatori si verificano negli avvolgimenti di macchina e nel sistema di regolazione della tensione.

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Possono essere di tipo monofase rilevati tramite protezione di terra statorica oppure tra le spire della stessa fase, o plurifasi rilevati per mezzo di protezione differenziale.

Per i guasti del tipo 2. i sistemi di protezione intervengono con un’azione di scatto del generatore cioè viene comandata l’apertura dell’interruttore di gruppo e vengono azionati i sistemi di regolazione per mantenere il gruppo ai giri nominali pronto a rientrare in servizio.

Infine per i guasti del tipo 3. le azioni sono differenziate in base al tipo di anomalia presentatasi nel funzionamento della macchina.

La protezione differenziale del generatoreLa protezione contro i cortocircuiti tra le fasi e tra una fase e la carcassa nel

circuito d’armatura è realizzata per mezzo di un relè differenziale ad alta velocità, che

confronta le correnti ai due estremi della macchina per ciascuna fase.

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ASSENZA DI GUASTO INTERNO (I1 = I2) : Nel caso di trasformatori di corrente perfettamente uguali K1=K2=K

K2 I2 - K1 I1 + IR=0 → IR =(K1 – K2) I1=0 Nel relè non circola corrente quindi la protezione non interviene.

Nel caso reale K1 ≠ K2 → IR =( K1- K2) I1≠0 nel relè circola una corrente che potrebbe provocare scatti intempestivi.

PRESENZA DI GUASTO INTERNO ( I1+Ig I2 ): K2 I2- K1 I1 -K1 Ig - IR=0 → IR = K1 Ig. Il relè è percorso da una corrente tale da eccitarlo, quindi la protezione interviene.

(N.B.: I1 ed I2 sono correnti che rileviamo rispettivamente sui terminali di ingresso e uscita dell’avvolgimento di una fase in assenza di guasto e quindi risultano eguali.)

Normalmente le due correnti sono eguali, ma durante un corto circuito interno

sono diseguali. La differenza delle due correnti si manifesta in presenza di un corto

circuito tra le fasi o tra una fase e la terra (se il generatore ha il neutro atterrato) ed

eccita il relè amperometrico R (fig.1).

In generale i due TA non solo non avranno rapporto di trasformazione

perfettamente eguale K1 ≠ K2 fig.1, ma tale rapporto varierà secondo due curve distinte

per i due TA, al variare della corrente primaria fig.2.

Ad evitare perciò l’intervento non corretto del relè per guasti eterni, senza peraltro

impedirgli di intervenire per cortocircuiti interni di lieve entità, lo si provvede di bobine

antagoniste. Se continuassimo ad usare il solo relè amperometrico fig. 1, per ottenere la

selettività occorrerebbe diminuire la sensibilità del relè per aumentare il valore minimo

di corrente per il quale il relè chiude il circuito di sgancio dell’ interruttore. Lo schema

del relè differenziale percentuale è quello di fig.3

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La bobina antagonista è percorsa dalla corrente mentre la bobina di

scatto è percorsa dalla corrente se k1 e k2 sono i rapporti di trasformazione

dei due TA. L’intervento del relè avviene quando la corrente nella bobina di scatto

supera una certa percentuale della corrente nella bobina antagonista.

Quando la macchina ha il neutro atterrato tramite impedenza, ed in genere il

valore di tale impedenza è scelto in modo da limitare il valore massimo delle correnti di

guasto a circa 30 A, un contatto a massa vicino al neutro produrrà una corrente di corto

circuito molto piccola, anche per la piccola f.e.m. dell’avvolgimento cortocircuitato, la

protezione differenziale non è sufficientemente sensibile per “sentire” tali guasti.

In tal caso si ricorre alla cosiddetta “protezione ti terra statorica” (fig. 4).

Protezione di terra statorica

Un criterio per rilevare il contatto a terra degli avvolgimenti è quello di affidarsi

alla corrente omopolare generatasi nel guasto.

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Corrente nella bobina di scatto:

Corrente nella bobina antagonista:

In caso di guasto esterno o sovraccarico (I1 = I2):

>

quindi la bobina antagonista si oppone all’apertura.

In caso di guasto interno(I1 > I2):

<

quindi interviene la bobina di scatto.

Il tipo più semplice è quello di fig. 4a in cui viene rilevata la corrente di

sequenza omopolare che circola durante un guasto a terra. Infatti il guasto monofase a

terra genera una corrente di sequenza omopolare che si richiude verso terra attraverso il

circuito di atterramento, tale corrente sarà rilevata dal TA che ha il suo secondario

collegato al relè R che quindi verrà eccitato. Come per la protezione precedente, anche

in questo caso la protezione non ricopre l’intero avvolgimento statorico, ma solo circa il

90%, risultando insensibile nei confronti dei guasti verso il neutro. Inoltre ricordando

che la caratteristica della macchina sincrona non è lineare, ma presenta la saturazione, le

correnti prodotte nel normale esercizio sono dotate di componente di terza armonica

(150 Hz) che hanno caratteristica omopolare e che quindi si richiudono verso il ramo di

atterramento interessando il relè R e azionando intempestivamente le protezioni. Per

superare tali limiti vengono proposte e protezioni in fig. 4b e 4c. Per evitare l’influsso

delle terze armoniche di corrente che hanno carattere omopolare si deve usare lo schema

di fig. 4b usando un relè elettrodinamico alimentato da una delle tensioni concatenate,

nella quale non compaiono terze armoniche.Infatti la coppia del relè elettrodinamico è

proporzionale al valor medio delle correnti isofrequenziali che attraversano le due

bobine, inoltre il primario del TV preleva una tensione concatenata quindi depurata di

componenti omopolari, presentando sempre sul secondario una tensione a 50 Hz.

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Quindi in assenza di guasto il TV sulla resistenza di atterramento preleverà una tensione

a 150 Hz, allora non essendo le due correnti nelle bobine del relè alla stessa frequenza il

valor medio della coppia del relè sarà nullo. Invece in presenza di guasto fase terra il

TV sul ramo di atterramento preleverà una tensione ( 3zIo dove Io è la componente

omopolare della corrente di guasto) di 50 Hz così facendo le due bobine del relè

elettrodinamico saranno attraversate da correnti alla stessa frequenza, eccitando il relè

che attiva la bobina di sgancio. Si può estendere la protezione al 100%

dell’avvolgimento immettendo una f.e.m nel circuito delle correnti di sequenza

omopolare (fig.4c ) in modo da aumentare le correnti di cortocircuito una fase a terra e

renderle rilevabili quando il numero di spire coinvolto è piccolo. Se l’alternatore è

collegato in parallelo ad altri, per evitare l’intervento delle protezioni degli altri

alternatori e viceversa si dota l’alternatore di un relè direzionale di sequenza omopolare,

alimentato dalla tensione e dalla corrente di sequenza omopolare (fig.4d).

I generatori il cui centro non è atterrato sono rari, ma laddove ve ne siano, un

contatto di una fase a massa deve essere rilevato con un rilevatore elettrostatico, poiché

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le correnti di guasto sono in tal caso molto piccole, limitate alle piccole correnti

capacitive che interessano le fasi sane.

Esistono in commercio anche dei relè direzionali di terra basati sul prodotto tensione

corrente omopolare per la protezione di alternatori a neutro isolato.

Protezione contro i corto circuiti tra le spire della stessa fase

La protezione contro i cortocircuiti fra le spire di una stessa fase viene ottenuta

rilevando la componente di sequenza omopolare delle tensioni fase terra prodotte dal

generatore (fig. 5).

E’ necessaria una protezione separata perché i relè finora visti non possono avvertire i

guasti che si verificano tra le spire della stessa fase; infatti il corto circuito di alcune

spire di una fase non introduce una differenza tra le correnti in entrata ed in uscita

nell’avvolgimento della fase guasta in grado di far intervenire la protezione

differenziale, né origina uno squilibrio tale nelle tensioni omopolari da provocare

l’intervento del relè di tensione omopolare. Quindi un cortocircuito fra le spire di una

stessa fase può produrre danni notevoli, in quanto per essere rilevato dalle protezioni

considerate precedentemente dovrebbe evolversi in cortocircuito tra due fasi o tra la fase

e la massa e nel frattempo le forti correnti locali che si producono nelle spire guaste

possono anche danneggiare il nucleo, saldando fra loro alcune lamine.

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Un altro metodo per rilevare un cortocircuito tra spire di una stessa fase ed anche

altri guasti dissimetrizzanti è basato sul fatto che ogni dissimetria, eccetto il

cortocircuito trifase, delle correnti statoriche crea una componente di sequenza negativa.

Essa ruota alla stessa velocità del campo di reazione di armatura, ma in direzione

opposta, inducendo nel circuito di campo una corrente a frequenza doppia. Questa

corrente può essere rilevata da un relè, opportunamente accordato, nel circuito di

campo, collegato con un relè direzionale di sequenza negativa che chiude un contatto

ogni volta che avviene un guasto interno alla macchina ma non si ecciterà per guasti

esterni.

La protezione contro le sovratemperature ha carattere preventivo per avvertirci

quando la macchina ha raggiunto anche solo in sua parte valori di temperatura

pericolosi. Le cause principali di riscaldamento eccessivi sono i guasti nel circuito di

ventilazione, guasti nell’isolamento dei bulloni che stringono le lamine. I mezzi di

protezione consistono nel rilievo della temperatura d’ingresso e di uscita del mezzo

refrigerante, nel rilievo della temperatura all’interno delle cave di statore mediante

termocoppie, termistori o termometri a resistenza o, infine nell’uso del relè ad immagine

termica. Quest’ultimo tipo di protezione, consiste nel rilevare la temperatura di un

corpo, che, in opportuna scala , costituisca l’immagine termica della macchina.

Il corpo viene riscaldato da un avvolgimento percorso da una corrente

proporzionale a quella della macchina ed esso si tiene conto sia delle perdite nel rame

che di quelle nel ferro le quali producono un riscaldamento eguale a circa il 30% di

quello prodotto dalle perdite nel rame. Il relè deve presentare le stesse costanti di tempo

della macchina in modo che la sua curva termica non ritardi rispetto a quella della

macchina, ma anzi la preceda. Questo è un vantaggio rispetto ai rilevatori indicati in

precedenza i quali presentano un certo ritardo.

Protezione contro le sovratensioni. A parte le sovratensioni transitorie causate da

fulmini o altro, altre sovratensioni sono associate con gli aumenti di velocità o possono

essere causate da guasti al regolatore di tensione. Nei moderni turbo alternatori , i

regolatori di tensione agiscono in modo sufficientemente rapido da prevenire serie

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sovratensioni sia quando si interrompe il carico sul generatore e la tensione ai morsetti

aumenta a causa dell’accelerazione.

Nei sistemi mossi da turbine idrauliche o a gas tuttavia, l’accelerazione è

maggiore perché serve più tempo per staccare il motore primo che non nel caso delle

turbine a vapore.

Il miglior sistema di protezione è composto da un relè istantaneo che interviene

per aumenti di tensione del 25% 40% ed un’unità a tempo dipendente che parte per

sovratensioni del 10%. Entrambe queste unità devono essere compensate per variazioni

di frequenza.

Protezioni antincendi. La protezione per macchine ventilate in un ciclo aperto,

consiste nella chiusura della finestra di presa d’aria per ventilazione. Nelle macchine

raffreddate in un ciclo chiuso, si pompa biossido di carbonio nel circuito di ventilazione.

Le macchine ad idrogeno sono autoprotette contro gli incendi.

Altre protezioni riguardano il controllo del buon funzionamento del circuito di

refrigerazione, dei cuscinetti,ecc…, ma esorbitano la sfera delle protezioni che qui

vogliamo esaminare.

Protezioni per circuito rotorico

Il circuito rotorico generalmente non è atterrato. Un contatto a massa non ha

perciò nessuna influenza, ma un secondo contatto a massa aumenta la corrente in una

parte dell’avvolgimento (fig.6) e può sbilanciare anche il flusso al traferro provocando

vibrazioni che posso causare danni seri.

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Occorre perciò dare l’allarme quando vi è il primo contatto a massa. La

protezione può essere realizzata come in fig. 7.Come si vede dal circuito di campo si è

derivato un ramo verso massa nel quale viene fornita una tensione in c.a. , in assenza di

guasto il relè non viene percorso da corrente, mentre viene percorso da corrente al

verificarsi di un guasto verso terra del circuito di eccitazione. La capacità serie serve ad

isolare la terra dal circuito di eccitazione. Al primo contatto a terra il relè R è attraverso

da una corrente alternata e fa scattare un segnale d’allarme in modo che l’operatore

intervenga, appena possibile, per eliminare il guasto.

Il disinserimento del generatore per questo tipo di guasto segnalato d’allarme può essere

gestito in modo più cautelativo tale da non procurare pericolose oscillazioni pendolari

tra gli altri generatori connessi.

A tal proposito introduciamo a titolo di esempio gli step di un possibile intervento per

scollegare un generatore con un guasto verso massa del circuito di eccitazione che

lavora in parallelo con altri.

Se per esempio ho 4 macchine da 400 MW ciascuna che stanno erogando 250 MW se

una di queste deve andare in manutenzione devo trasferire questi 250 MW ( potenza

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Dal primo schema si vede che con un solo contatto a terra l’avvolgimento continua ad essere interamente percorso dalla corrente di eccitazione If. Nel secondo schema parte dell’avvolgimento di eccitazione non viene percorso da corrente If perché il doppio contatto a terra provoca una seconda via per questa corrente.

apparente ) sulle altre macchine che stanno in parallelo, cioè devo trasferire potenza

attiva e reattiva sugli altri generatori che restano in funzione. Per annullare la potenza

reattiva devo ovviamente regolare la corrente dei circuiti di eccitazione della macchina

da disconnettere e delle macchine che restano connesse ,cioè man mano che la potenza

reattiva Q viene ridotta ad una viene convogliata sulle altre, fin quando il modulo della

fem interna del generatore da disconnettere risulta uguale al modulo della tensione ai

morsetti fig. 8

Fatto questo posso annullare la potenza P attiva diminuendo la potenza del motore

primo collegato al generatore e man mano aumentando la potenza dei motori primi degli

altri generatori in funzione.

Così facendo la fase della fem interna del generatore da disconnettere varierà rispetto a

quella della tensione a morsetti fino a diventare in fase con questa ultima fig.8 quindi la

macchina sta ora lavorando in condizioni di parallelo a vuoto da qui si può passare alla

normale procedura di disconnessione.

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Vediamo nel primo grafico la situazione iniziale della macchina da disconnettere, dal secondo grafico vediamo l’operazione di regolazione della corrente di campo che si conclude quando |Ef|=|V|, infine si vede come Ef ,azzerando la potenza attiva in ingresso, si sovrappone a V.

Protezione contro i carichi squilibrati

Le correnti di sequenza negativa che circolano in condizioni di squilibrio nello

statore inducono correnti a frequenza doppia nel rotore. Se il grado di squilibrio è molto

grande si possono verificare sovrariscaldamenti nel rotore. Il tempo che il rotore può

sopportare una tale condizione è inversamente proporzionale al quadrato dell’ampiezza

della corrente di sequenza negativa: I22t=k ove k varia da 7 per turboalternatori a 60 per

macchine a poli salienti raffreddate ad aria. La capacità dei grossi generatori a

sopportare correnti di sequenza negativa diventa sempre più piccola con l’aumentare

delle potenze nominali. Occorre perciò un relè di protezione che abbia una caratteristica

tempo di intervento corrente del tipo I22t=k che si avvicini quanto più possibile a quella

della macchina poiché se è importante sconnettere la macchina quando k viene superato,

è altrettanto importante non toglierla dal servizio quando non è necessario. Si usano relè

alimentati da un filtro a sequenza negativa e composti da un’unità istantanea di allarme

e da un’unità a tempo inverso di allarme ritardata da un timer per evitare allarmi non

necessari in caso di squilibrio di breve durata nel carico.

Funzionamenti anormali

Esaminiamo ora alcune condizioni anormali che non sono collegate direttamente

con lo statore o solo col rotore, come per la mancanza di eccitazione, il funzionamento

da motore o la perdita del sincronismo. La mancanza di eccitazione può avvenire per

diversi motivi:

1. Perdita di campo nell’eccitazione principale

2. Corto circuito di campo

3. Guasti alle spazzole

4. Mancata chiusura dell’interruttore di campo

5. Errori manuali

Quando ad un generatore viene a mancare la sua eccitazione, esso aumenta un

po’ la sua velocità ed agisce come generatore ad induzione fig. 9.

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Il generatore cerca di portarsi ad uno scorrimento tale da ripristinare l’equilibrio

tra potenza meccanica in ingresso e potenza elettrica erogata. I turboalternatori tendono

in queste condizioni a sovrariscaldare il rotore a causa delle forti correnti che si

inducono nelle gabbie smorzatrici (gli avvolgimenti smorzatrici non sono progettati per

sopportare permanentemente un transitorio di corrente). Inoltre la corrente

magnetizzante che la macchina richiede alla rete può arrivare fino a 24 volte la

corrente nominale secondo lo scorrimento raggiunto, aumentando così la temperatura

dello statore.Quindi la macchina richiede improvvisamente alla rete una potenza reattiva

che può arrivare fino a 2 4 volte della sua potenza nominale.

L’effetto combinato della potenza reattiva improvvisamente richiamata dalla rete, e

della potenza reattiva non più fornita, è causa di una “buca di tensione” nelle zone

limitrofe al generatore stesso.

Questi effetti appena citati consigliano di distaccare il generatore che ha perduto la sua

eccitazione.

L’assenza del campo può essere rilevata da un relè di minima corrente nel

circuito di campo, ma molti generatori lavorano entro limiti di corrente d'eccitazione

piuttosto vasti e perciò un tale relè può costituire un pericolo, cioè non permette al

generatore di funzionare a corrente d'eccitazione di basso valore come accade nel caso

della messa in tensione di una linea a vuoto.

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Un altro modo è l’utilizzo del relè di massima resistenza rotorica mediante la

misura del rapporto che controllano che la resistenza del circuito di

eccitazione non diventi infinita per annullamento Iecc.

Il relè che dà migliore affidabilità è un relè ad ammettenza o un relè direzionale

ad impedenza la cui caratteristica sia nel semipiano a reattanza negativa.

Il funzionamento da motore del generatore è impedito da un relè wattmetrico

sensibile che interviene non appena si innesca un flusso di potenza della linea al

generatore dello 0,5%.

Quando il generatore perde il sincronismo l’impedenza misurata da un relè

distanziometrico varia descrivendo sul piano delle impedenze una certa curva disegnata

in fig.10. Si predispongono due relè ad impedenza di tipo particolare, cioè tali da

misurare la componente dell’impedenza in una certa direzione, in modo tale che se

l’impedenza assume il valore corrispondente alla caratteristica di uno dei due suona un

allarme o si apre un interruttore.

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PROTEZIONE DEI TRASFORMATORI

Introduzione In questa sezione ci occuperemo della protezione dei trasformatori di grande

potenza, o meglio di trasformatori di interconnessione ,dei trasformatori elevatori di

gruppo e dei trasformatori di distribuzione AT/MT. Per trasformatori di distribuzione

MT/BT (400 kVA ÷ 800 kVA) la protezione viene affidata alle stesse protezioni delle

linee a media tensione cui sono allacciati, oppure mediante fusibili.

Il trasformatore di potenza è una delle macchine elettriche più importanti negli

attuali sistemi di potenza, sia per la sua relativa semplicità costruttiva, sia per la sua

affidabilità. Il grado di affidabilità dipende da diversi fattori come un’adeguata

progettazione, cura costruttiva, e con l’affiancamento di un adeguato sistema di

protezione e relativa manutenzione.

Con un’adeguata progettazione si intende isolamento dei lamierini e degli

avvolgimenti, rinforzando i conduttori contro i cortocircuiti e fornendo la macchina di

buone connessioni elettriche. Con cura costruttiva si intende evitare in fase di

costruzione dei vari componenti della macchina danni fisici quali urti o incisioni dei

cavi, evitare che corpi estranei (residui della lavorazione) rimangano nel cassone. Con

un adeguato sistema di protezione e relativa manutenzione, infine, si intende controllo

periodico dell’efficienza dei relè, dei livelli degli oli, controllo delle temperature

raggiunte dagli avvolgimenti, etc.

Classificazione dei guasti

I guasti possono essere suddivisi in due grandi categorie: guasti per

funzionamento in sovracorrente e guasti per cortocircuiti esterni, in ogni caso il

trasformatore deve essere disconnesso quando si verificano tali guasti e solamente dopo

un determinato tempo durante il quale altre protezioni hanno operato.

Per protezione primaria di un trasformatore si intendono tutte quelle protezioni

atte a prevenire o controllare l’evoluzione di condizioni di guasto interno verso danni

più gravi.

I guasti interni sono molto seri, e quasi sempre sono accompagnati da incendi a

causa degli oli utilizzati per il raffreddamento, che se riscaldati producono gas

infiammabili. Questi guasti possono essere distinti in due gruppi:

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1. gruppo a): guasti elettrici che causano immediatamente seri danni, e che

solitamente sono accompagnati da uno sbilanciamento delle correnti e

delle tensioni. A questo gruppo appartengono:

guasti fase-fase o fase-terra tra terminali di alta e bassa tensione

guasti fase-fase o fase-terra tra avvolgimenti di alta e bassa

tensione

guasti tra le spire dello stesso avvolgimento.

2. gruppo b): guasti detti anche incipenti, sono guasti che inizialmente sono

di piccola entità ma che lentamente evolvono in guasti più seri. A questo

gruppo appartengono:

inadatte connessioni elettriche o rottura dell’isolante dei lamierini

un inadeguato raffreddamento a causa del inefficienza

sopravvenuta dell’impianto, quali abbassamento del livello

dell’olio, tanto da privare le bobine superiori della parte

principale del loro isolamento e raffreddamento.

inefficienti collegamenti tra trasformatori messi in parallelo.

Generalmente, per il gruppo a, è molto importante che l’equipaggiamento

guastato possa essere isolato il prima possibile dopo che il guasto si è manifestato, non

solo per limitare i danni, ma anche per minimizzare il tempo durante il quale il sistema

di tensione è sollecitato. Infatti un prolungato tempo caratterizzato da bassa tensione

può causare una perdita di sincronismo tra le macchine rotanti, e se questo accade,

l’eccessivo passaggio di corrente può fare intervenire altri relè a protezione dei

generatori distaccandoli dalla rete.

I guasti di tipo b, non sono di natura seria, ma causano guasti più gravi col

perdurare.

Risulta evidente che i sistemi di protezione utilizzati per i guasti di tipo a non

sono generalmente usati per i guasti di tipo b.

La protezione differenziale del trasformatore

La protezione contro i cortocircuiti interni nei trasformatori di elevata potenza

viene ottenuta tramite relè differenziale percentuale che confronta le correnti di fase nel

circuito di alta tensione con le correnti di fase nel circuito di bassa tensione. Queste due

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correnti sono diseguali già in condizioni normali o durante i guasti esterni a causa del

rapporto di trasformazione e delle differenti connessioni sui due lati (stella-triangolo,

ecc…). Quindi un cattivo collegamento dei riduttori può far intervenire

intempestivamente il relè o fare mancare lo scatto quando invece è voluto. I

collegamenti devono essere fatti e controllati in due tappe successive:

1. controllo di fase

2. controllori rapporto

Per quanto riguarda il controllo di fase bisogna ricordare che la protezione differenziale

sente la differenza vettoriale delle correnti; occorre quindi collegare i TA in modo da

compensare l’eventuale sfasamento introdotto nelle correnti dal gruppo cui appartiene il

trasformatore. La differenza nei collegamenti viene controbilanciata collegando gli

avvolgimenti secondari dei TA a stella sul lato a triangolo e a triangolo sul lato a stella

(fig. 11), riportando così in fase le correnti che uscenti dal trasformatore da un lato

all’altro avevano subito uno sfasamento dovuto al collegamento degli avvolgimenti di

macchina. In realtà i TA potrebbero essere collegati anche in modo diverso per far

fronte al controllo di fase ma con l’inconveniente (grave) di rendere la protezione

insensibile ai guasti esterni monofase a terra, e per questo motivo non utilizzata.

Una volta stabilita la connessione dei TA per far fronte allo sfasamento

introdotto dalla macchina, ci si deve preoccupare di compensare la differenza di

ampiezza introdotta dal trasformatore di potenza, in modo da presentare corrente

differenziale nulla nel caso di funzione a regime o di guasto esterno.

Le correnti confrontate dal relè, che sono le correnti secondarie di due TA,

vengono rese eguali nelle condizioni anzidette usando TA di differenti rapporti di

trasformazione sul lato alta e bassa tensione

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I relè differenziali usati per la protezione dei trasformatori non possono essere

calibrati per una differenza percentuale così bassa come per i generatori, per parecchi

motivi:

1) essendo i due TA sui lati di differente tensione nominale, essi non possono

avere caratteristiche identiche come due trasformatori aventi lo stesso rapporto e dello

stesso tipo e durante guasti esterni il loro rapporto può scostarsi in modo diseguale dai

valori nominali.

2) il rapporto di trasformazione richiesto può essere tale non essere rispettato da

TA standard. Per ristabilire le eguaglianze delle correnti da questo punto di vista si usa

in generale un trasformatore di adattamento inserito sui circuiti secondari dei TA (vedi

fig.11 con esempio) , con opportuno rapporto spire.

3) il rapporto di trasformazione di alcuni trasformatori di potenza può essere

alterato 10% per mezzo di variazione del numero di spire e non è possibile fare

altrettanto con i TA in modo da seguire tali variazioni. Per questi motivi, la differenza

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Se K è il rapporto di trasformazione del trasformatore, K’ e K” i rapporti di trasformazione dei TA (reperibili in commercio) rispettivamente dal lato MT ed AT, si hanno sul secondario dei TA i seguenti valori di corrente I2MT =K’I1n ed I2AT

=K”I2n e quindi affiche il relè non scatti in assenza di guasto deve essere verificata: K’I1n= K”I2n = K”(K I1n ) cioè K’/K”=K (*). Dall’esempio numerico si ricava K=0.075 e K’/K”= 0.1 quindi introduco un trasformatore di adattamento Y-Y di rapporto 1/0.75 tale da adattare i due gruppi di TA all’uguaglianza (*).

percentuale non viene più fissata al 10% come nei relè per generatori, ma deve

raggiungere il 25% 30% della corrente più piccola che attraversa le bobine

antagoniste.

Spesso si inseriscono trasformatori di adattamento su ambedue i secondari dei

TA principali; si usa questa tecnica per bilanciare meglio le correnti avendo in questo

modo a disposizione una maggiore gamma di valori per affinare il controllo di rapporto.

Ai TA ausiliari viene affidato anche il compito del controllo di fase scegliendo

opportunamente i collegamenti tra i loro avvolgimenti.

Nel caso di forti sovraccarichi dovuti a cortocircuiti esterni al trasformatore può

circolare una corrente nel relè differenziale e determinare scatti intempestivi della

protezione. Per evitare ciò bisogna ridurre la sensibilità del relè, o meglio utilizzare dei

relè compensati.

Effetti della corrente di inserzione

Quando un trasformatore viene collegato ad una sorgente di tensione si verifica

un transitorio di corrente magnetizzante ,che può raggiungere un valore di corrente

anche 10 volte maggiore della corrente nominale e che si smorza con una costante di

tempo anche fino a 2 secondi. La presenza della corrente magnetizzante che costituisce

una differenza tra la corrente entrante e la corrente uscente e come tale circola nel relè

differenziale, rende necessario ridurre la sensibilità della protezione. Occorre porre

rimedio a questo inconveniente altrimenti non saremmo mai in grado di mettere in

servizio un trasformatore protetto con differenziale, in quanto non appena chiuso

l’interruttore da un lato il differenziale interverrebbe mandando in blocco la macchina.

Anche riducendo la sensibilità della protezione, non si è ancora fuori pericolo di

scatti intempestivi all’atto della messa in servizio del trasformatore per effetto della

sovracorrente di inserzione (magnetizzante). I fattori che controllano l’ampiezza e la

durata del flusso sono tanti, quali:

la dimensione del gruppo trasformatore;

la dimensione del sistema di potenza;

la resistenza del sistema dall’origine del gruppo;

il tipo di materiali utilizzati nel trasformatore (es. il tipo di ferro);

storia precedente del trasformatore (flusso residuale );

21

L’ampiezza della corrente massima varia col punto dell’onda di tensione nel

momento di chiusura e con la polarità e l’ampiezza del magnetismo residuo. Lo

smorzamento della corrente transitoria è particolarmente lento se l’avvolgimento

primario è direttamente in parallelo con un altro trasformatore che sia già in servizio.

Consideriamo ora la situazione esemplificativa dell’inserzione a vuoto di un

trasformatore; a regime il flusso Ф nel ferro è in quadratura in ritardo rispetto alla

tensione applicata. All’atto della inserzione, il flusso Ф passa dal valore ФR al valore di

regime.

Se il trasformatore viene inserito esattamente nell’istante in cui l’onda

sinusoidale di tensione di alimentazione passa per il suo valore massimo, istante cui

corrisponde, in regime permanente, un valore nullo per il flusso, non si ha nessun

fenomeno transitorio di rilievo e la corrente magnetizzante, partendo dal valore zero

corrispondente al flusso nullo, segue la sua normale curva di regime permanente.

fig.12

22

Se viceversa, il trasformatore viene inserito in un istante in cui la tensione non ha valore

massimo, in particolare ha valore nullo, il flusso in quello istante dovrebbe assumere

valore non nullo, in particolare massimo. Non potendo viceversa il flusso cambiare

istantaneamente valore, e dovendo quindi partire in ogni caso dal valore zero, che aveva

fino all’istante dell’inserzione, si ha un periodo transitorio nel quale al flusso

sinusoidale del regime permanente si aggiunge un flusso transitorio con andamento

esponenziale e di valore massimo e contrario a quello che avrebbe il flusso permanente

nell’istante dell’inserzione. Il fenomeno transitorio ha una durata di due o tre secondi.

dopo un semiperiodo dall’inserzione il flusso può raggiungere un valore teoricamente

doppio quello massimo ΦM di regime permanente. Data l’inevitabile forte saturazione

del ferro in queste condizioni, la corrente magnetizzante può assumere allora anche

valori elevatissimi.

In regime di saturazione, praticamente è come se avessimo un nucleo in aria;

cioè l’induttanza offerta dall’avvolgimento del trasformatore diviene estremamente

piccola. Ciò richiama una corrente di valore elevato per produrre il flusso transitorio

presente.

fig13

Se invece nel trasformatore è presente un flusso residuale rimasto da una

precedente carica, a seconda del proprio segno, potrebbe essere o aggiunto o sottratto

dal flusso totale, aumentando o diminuendo l’ampiezza della corrente magnetizzante.

La corrente di inserzione si smorza nei cicli successivi per effetto della

resistenza R dell’avvolgimento primario del generatore equivalente che alimenta il

23

trasformatore; così i trasformatori installati più vicini al gruppo generatore sono più

soggetti a fenomeni di transitori di inserzione più lunghi di quelli inseriti più lontano

poiché la resistenza delle linee di collegamento smorza velocemente la corrente.

Infine si vuol sottolineare che nella nostra trattazione dell’inserzione del

trasformatore abbiamo in effetti semplificato il fenomeno, che in realtà è molto più

complesso: si hanno flussi residui diversi sulle tre colonne, valori diversi delle

componenti unidirezionali delle tre correnti di fase etc. Infatti il circuito equivalente non

ha una costante di tempo fissa poiché il rapporto R/L varia, variando l’induttanza che

passa da valori iniziali molto bassi (ferro completamente saturato) a valori più alti man

mano che le perdite smorzano il fenomeno

C’è poi un transitorio simile, ma meno importante, quando la tensione ai capi del

trasformatore si ristabilisce dopo l’eliminazione di un guasto esterno, anche in questo

caso comunque, siamo in presenza di un flusso transitorio governato dalle stesse leggi

dell’inserzione appena viste.

Metodi per prevenire l’intervento non necessario delle protezioni

all’atto dell’inserzione

La corrente magnetizzante tende a far intervenire non correttamente i relè

differenziali. Un relè a bassa velocità, differenziale, del tipo ad induzione non risente

alcun fastidio, ma i relè ad alta velocità che sono necessari per considerazioni di

stabilità, presentano problemi seri a tal riguardo.

Per evitare l’intervento non corretto per corrente magnetizzante all’inserzione di

un trasformatore, sono stati impiegati alcuni metodi, come la desensibilizzazione

iniziale del relè, l’uso di coppie antagoniste create dalle armoniche, l’uso di relè con

raddrizzatori, ossia reetifier relay.

Il primo metodo diminuisce la sensibilità del relè differenziale per un breve

intervallo di tempo dopo la chiusura dell’interruttore nel circuito primario. Per

consentire la sconnessione del trasformatore, se per caso si sviluppa in esso un guasto al

momento dell’eccitazione, si permette l’apertura dell’interruttore durante l’intervallo

iniziale se c’è sia una corrente differenziale, sia una considerevole diminuzione di

tensione; questo metodo comporta degli inconvenienti quali:

24

la protezione differenziale troppo desensibilizzata può non avvertire certi guasti

che si verificano con piccole correnti

si allungano di molto i tempi di eliminazione dei guasti

Il relè con blocco da parte delle armoniche (armonic restrain relay) ha un

avvolgimento di scatto che è attraversato solo dalla componente fondamentale della

corrente ed una bobina antagonista che viene attraversata dalla componente continua e

dalle armoniche. Sia la componente continua che le armoniche hanno grande ampiezza

durante il transitorio di inserzione.

Il terzo tipo di protezione utilizza il fatto che la corrente transitoria di inserzione

è costituita da corrente pulsante unidirezionale di polarità positiva o negativa, mentre le

correnti di guasto sono alternate. Nel circuito di sgancio dell’interruttore è previsto

quindi un contatto che si chiude solo quando si è in presenza di corrente alternata.

Quindi nella taratura della protezione differenziale bisogna tenere conto di

diversi fattori quali:

la corrente di magnetizzazione del trasformatore agisce come una debole

corrente di guasto nel circuito differenziale

una non precisa valutazione del rapporto di trasformazione fa si che circoli

sempre una piccola corrente nel circuito differenziale

se il trasformatore di potenza che si vuole proteggere è a rapporto di

trasformazione variabile, altera l’equilibrio del relè

La somma di questi ed altri fattori fa si che la sensibilità della protezione del

trasformatore venga regolata per valori compresi nell’intervallo che va dal 25% al 50%

della corrente nominale del relè.

Altri sistemi di protezione

Uno tra i guasti più frequenti nei trasformatori è il cortocircuito di un

avvolgimento verso massa. Il guasto non è istantaneo, ma inizialmente si manifesta con

una perforazione dell’isolante verso il cassone, con una corrente di guasto inizialmente

debole,e quindi non avvertibile dalla protezione differenziale. Non solo ma la

percentuale di avvolgimento protetto dalla protezione differenziale e funzione del tipo

di atterramento del neutro che può essere:

rigidamente atterrato;

25

a terra tramite impedenza;

isolato.

Nel caso del neutro rigidamente atterrato, la percentuale di avvolgimento protetto

dipende dalla sensibilità della protezione differenziale.

Nel caso del neutro a terra tramite impedenza, la percentuale dell’avvolgimento

protetto dipende oltre che dalla sensibilità della protezione differenziale, anche dal

valore della resistenza di atterramento del neutro che limita la corrente che si chiude nel

circuito di guasto.

Nel caso del neutro isolato, la percentuale dell’avvolgimento isolato dipende anche dal

piano di messa a terra della rete che alimenta il guasto, e dal tipo di connessione delle

bobine del trasformatore (triangolo-stella, stella-triangolo).

Per eliminare il più velocemente possibile la situazione di guasto verso massa

degli avvolgimenti del trasformatore, si deve utilizzare una protezione più sensibile

della differenziale. Il relè più utilizzato specie nei paesi anglosassoni è il relè di terra

ristretta

Per la protezione contro i guasti a massa, si può utilizzare la protezione di terra,

realizzabile con un relè amperometrico collegato tra il cassone del trasformatore

(isolato) e la terra mediante un opportuno TA. La protezione di terra non è necessaria in

presenza di protezioni differenziali, ma è vantaggiosamente utilizzabile per la

protezione di trasformatori di media potenza data la sua economicità ( infatti è

realizzabile con un solo TA a fronte di sei TA della protezione differenziale).

Osserviamo che il cassone è isolato per evitare che una eventuale corrente di guasto

fluisca verso terra by-passando la protezione, in oltre per reti a neutro isolato la

protezione di terra non è utilizzabile essendo in questo caso la corrente di guasto molto

minore.

Relè Buchholz

Un altro metodo efficace di protezione contro i guasti interni è il relè a sviluppo

di gas Buchholz che utilizza il principio che un guasto interno produce calore e

decompone i materiali, solidi o liquidi, producendo gas. Un guasto incipiente produce

del gas lentamente, mentre i guasti più pericolosi producono rapidamente grandi

quantità di gas aumentano la pressione nel cassone.

26

Tale relè ha due elementi, uno dei quali viene messo in funzione da lenti

accumuli di gas, rilevando così un guasto incipiente e facendo suonare un allarme, ed un

elemento di intervento rapido che risponde alla pressione del flusso del gas ed apre

immediatamente gli interruttori quando si verifica un guasto più serio.

Vi sono due varianti del relè Buchholz; un tipo per installazione sul condotto che

dal cassone porta al conservatore d’olio,ed un secondo tipo per installazione

direttamente sul cassone.

Il principio di funzionamento è facilmente comprensibile anche dal disegno

fig.14

27

Molti sono i vantaggi offerti dal relè Buchholz ed in particolare la possibilità di

rilevare guasti nel loro primo stadio di sviluppo in modo che si possa ripararli con meno

spesa ed in meno tempo. Esso non è influenzato dalla corrente di eccitazione alla

inserzione, è semplice e poco costoso.

Un’analisi del tipo di gas prodotto può già permetterci di localizzare grosso

modo se il guasto interessa gli avvolgimenti o se è stato interessato il nucleo. Il minimo

tempo di intervento nel relè Buchholz è di 0,1 sec circa ed un tempo medio è di 0,2 sec.,

che è un tempo di intervento molto lungo. Perciò per guasti di una certa entità

occorreranno i relè elettrici per assicurare un intervento più pronto lasciando al

Buchholz il compito di avvertirci soprattutto per guasti incipienti, difficilmente

evidenziabili con altri tipi di relè, ed il compito di protezione di riserva.

Nel caso di piccoli trasformatori sono usati i relè di sovracorrente sia per

protezione contro i sovraccarichi che contro i guasti. Occorre in genere una unità

istantanea per i guasti di una certa entità ed una unità a caratteristica inversa (I22t=k) per

sovraccarichi e guasti di non grande entità.

Altra protezione contro i sovraccarichi può essere fornita dai relè termici i quali

dovrebbero rispondere alla temperatura del rame perché gli avvolgimenti hanno una

costante di tempo minore che non il nucleo o l’olio.

Se un trasformatore viene sovraccaricato oltre il limite previsto, la temperatura

dei suoi avvolgimenti può raggiungere temperature tali da danneggiare gli isolanti e

provocare guasti interni. La protezione di massima corrente non è utilizzabile poiché

non permette di sfruttare la sovreccitabilità dei trasformatori. Infatti i trasformatori

28

possono sopportare sovraccarichi di durata limitata senza che vengano raggiunte le

temperature limite nei materiali attivi.

Anche in questo caso si usa il relè ad immagine termica,nei trasformatori di

grande potenza. L’indicatore è un termometro a resistenza o un bulbo contenente

liquido volatile che aziona un indicatore di pressione.

L’indicatore di temperatura, componente principale del relè ad immagine

termica, è posto in un recipiente ripieno d’olio e situato nell’olio alla sommità del

cassone in modo cioè che sia immerso negli strati più caldi. Il recipiente contiene anche

una bobina di riscaldamento, alimentata dalla corrente secondaria di un TA inserito su

uno degli avvolgimenti. La costante di tempo è la stessa dell’avvolgimento. Se la

temperatura supera un limite prefissato viene azionato un allarme e se sale ulteriormente

vengono aperti gli interruttori.

Osserviamo che al posto del termometro a bulbo può essere usata una lamina bi-

metallica che è meno delicata, e che quindi fornirà misure più precise.

Per proteggere il trasformatore contro i guasti esterni in caso di mancato

funzionamento delle relative protezioni, si prevedono protezioni di riserva, coordinate

con quelle di sbarre o di linea, con relè di sovracorrente o ad impedenza.

La protezione per guasti nel circuito di raffreddamento in genere aziona soltanto

un allarme senza mettere fuori servizio il trasformatore, poiché i trasformatori possono

funzionare per un certo tempo a carico quasi normale anche in assenza di

raffreddamento.

La protezione antincendio è più importante nei trasformatori che non negli

alternatori a causa delle grandi masse d’olio presenti che potrebbero costituire grave

pericolo di propagazione dell’incendio nel caso in cui l’olio dovesse fuoriuscire dal

cassone.

I mezzi più comunemente usati sono:

1) le fosse di fuga dell’olio, realizzate sotto il trasformatore e riempite di grosso

pietrisco per raccogliere l’olio raffreddandolo in caso di fuoriuscita del medesimo. 2)

L’uso di oli isolanti incombustibili, che sono però costosi e intaccano le vernici isolanti

spesso usate per l’isolamento degli avvolgimenti di bassa tensione. 3) L’impiego di

estintori al biossido di carbonio, per quanto riguarda i trasformatori installati in celle

chiuse. 4) l’uso di acqua polverizzata per trasformatori all’aperto. Un sistema di tubi

29

viene posto intorno al trasformatore ed in caso di incendio dagli ugelli viene pompata

acqua polverizzata, il cui effetto refrigerante seda l’incendio.

30

INTRODUZIONE E CONCETTIDI STABILITA’

A causa di una perturbazione le condizioni di equilibrio possono cambiare in

modo permanente o no a seconda del tipo di perturbazione. Se la perturbazione è di tipo

impulsivo il sistema raggiunge nuovamente la condizione di equilibrio preesistente. Se

invece la perturbazione è di tipo permanente il sistema evolverà verso una nuova

configurazione di equilibrio.

Diremo che in tal caso il sistema elettrico di potenza è stabile, mentre diremo

che il sistema di potenza è instabile se sottoposto ad una perturbazione, le sue grandezze

caratteristiche si allontanano sempre più dalle condizioni di equilibrio.

Tra le varie grandezze del sistema elettrico di cui si può studiare la stabilità

(tensione, frequenza…) assume una particolare importanza la stabilità del moto

rotatorio delle macchine sincrone collegate al sistema. In questo caso la stabilità

coincide con l’attitudine del sistema a mantenere il sincronismo, o a tornarvi nel caso in

cui il sistema è soggetto ad una perturbazione.

L’attitudine delle macchine sincrone collegate ad un sistema elettrico a

mantenere il sincronismo dipende dal valore dell’angolo compreso fra i vettori

rappresentativi delle tensioni costanti esistenti agli estremi del sistema stesso e

diminuisce con l’aumentare di tale angolo.

31

La potenza P trasmessa varia con il sin :

Ogni cambiamento di regime produce una variazione di questo angolo, il quale,

affinché il sistema non perda il sincronismo, non deve eccedere i valori limite ben

definiti. La stabilità è tanto maggiore quanto più piccolo è tale angolo .

Questo angolo è strettamente legato alla posizione occupata nello spazio dai poli

induttori delle ruote polari delle macchine sincrone allacciate al sistema; ad ogni

cambiamento di regime corrisponde uno spostamento relativo di dette ruote polari e per

mantenere la stabilità occorre che questi spostamenti non superino certi limiti.

Quando la variazione delle condizioni di regime avviene molto lentamente tanto

da poter considerare, in ogni istante, la potenza elettrica fornita da ciascuna macchina

sincrona uguale alla potenza meccanica assorbita sul proprio asse, si dice che il sistema

è in regime permanente ed il passaggio dei rotori dalla vecchia alla nuova posizione di

equilibrio avviene senza innescare pericolose oscillazioni. La massima potenza che il

sistema può trasportare in queste condizioni costituisce il limite di stabilità statica del

sistema. A questa potenza corrisponde un valore dell’angolo δ che, a sua volta,

costituisce il valore limite dell’angolo di stabilità del sistema.

32

Quando invece la variazione delle condizioni di regime avviene bruscamente

perché il sistema è sede di perturbazioni d’ampiezza (causate ad esempio da repentine

variazioni di carico,etc..) allora lo spostamento dei rotori è sempre accompagnato da

una serie di oscillazioni pendolari dei rotori stessi, intorno a nuove posizioni

d’equilibrio, di ampiezza e frequenza tanto più grandi quanto più cospicuo e rapido è

stato il cambiamento di regime.

33

RELÈ DI PROTEZIONE DURANTE LE OSCILLAZIONI

PENDOLARI

I relè hanno grande importanza nel migliorare la stabilità di un sistema, in

quanto essi intervengono sui disservizi aprendo ed escludendo dal sistema il tronco

guasto il più rapidamente possibile. Ma i relè possono anche intervenire in presenza di

oscillazioni pendolari fra due gruppi di macchine, aprendo tronchi di linea non affetti

da alcun disservizio, in sostanza anche quando l’intervento non è richiesto.

Finché i relè di protezione possedevano tempi di scatto dell'ordine di qualche

secondo era relativamente raro che essi intervenissero in caso di pendolazione. Con gli

attuali tempi di scatto, inferiori alla più breve durata presumibile di un periodo di

scorrimento, invece, la possibilità di intervento è grandemente aumentata. È chiaro poi

che tale probabilità sussiste soprattutto in quei sistemi, nei quali, accanto a moderne

protezioni ultra rapide, sono ancora in servizio relè più lenti, i quali favoriscono, nei

casi di guasti sulla sezione di impianto da loro protetto, lo stabilirsi di forti pendolazioni

su tutta la rete interconnessa e quindi il pericolo di scatti dei relè ultrà rapidi, che

tolgono dal servizio linee sane.

Così facendo si indebolisce il collegamento fra le macchine già peggiorato per

proprio conto a causa della perturbazione che ha messo in oscillazione le macchine. Il

sistema potrebbe divenire instabile a causa di questo intervento non corretto, se non era

instabile in conseguenza della prima perturbazione.

Oltre ad intervenire durante le oscillazioni pendolari, i relè potrebbero anche

sconnettere linee sane dopo l'uscita fuori passo di una macchina o di un gruppo di

macchine rispetto alle altre. In alcuni casi tale intervento è richiesto, mentre in altri casi

non è corretto. Quando due gruppi di macchine abbandonano il sincronismo, le

fluttuazioni di tensione e di corrente conseguenti disturbano fortemente il servizio e per

impedirle occorre sconnettere i due gruppi. Naturalmente il punto di sconnessione dovrà

essere scelto in precedenza in modo che ogni parte del sistema continui ad essere

alimentata adeguatamente, senza che vengano sovraccaricate altre linee. Inoltre la

separazione andrà effettuata di preferenza in quelle stazioni le cui apparecchiature e la

cui ubicazione siano tali da permettere una rapida ed agevole ripresa del parallelo.

34

Per essere sicuri che il sistema si dividerà soltanto nel punto o nei punti prescelti

occorre impedire l'intervento dei relè che abbiano una diversa ubicazione durante le

condizioni di uscita fuori passo e garantire invece con sicurezza l'intervento entro quel

limite di tempo prefissato, dei relè cui si è affidato il compito di separare i gruppi fuori

sincronismo.

Una macchina che continua a ruotare in presenza di assenza di sincronismo

rispetto alle altre macchine collegate alle sbarre, non soltanto disturba il servizio ma si

danneggia e deve essere messa fuori servizio il più presto possibile, non appena esce

fuori passo attraverso l'intervento di relè selettivi.

I relè devono quindi essere capaci di distinguere fra condizioni normali,

condizioni di corto circuito, oscillazioni pendolari di grande ampiezza e condizioni

di assenza di sincronismo.

Quando due macchine o due gruppi di macchine sono fuori passo vi è un istante

in ciascun ciclo di scorrimento in cui la differenza di fase fra le forze elettromotrici

interne è 180°. In queste condizioni è come se all'incirca a metà (in generale “nel centro

elettrico”) fra le due macchine vi fosse un corto circuito trifase, se quindi ci fosse in

quel punto un un relè che protegge la linea questo farebbe scattare gli interruttori.

La posizione effettiva del “centro elettrico” in un sistema di trasmissione dipende non

solo dall'ampiezza delle forze elettromotrici terminali, ma anche dal valore delle

impedenze in gioco e quindi dal numero e dalle caratteristiche delle linee e macchine in

servizio. Inoltre la posizione del centro elettrico è suscettibile di variazioni non solo

durante l'esercizio, ma anche nel corso stesso di una pendolazione che provochi la

messa fuori servizio di una o più parti del sistema.

Quando le macchine sono in oscillazione fra loro, dopo l'eliminazione di un

guasto per sconnessione del tronco guasto, anche se non escono fuori passo, può esserci

un istante in cui lo sfasamento fra le forze elettromotrici interne e così grande che le

condizioni elettriche della rete si avvicinano a quelle di un corto circuito trifase tanto da

fare intervenire i relè.

35

Gli effetti delle oscillazioni pendolari e dell'uscita fuori passo delle macchine sui

relè, possono essere ben compresi considerando un sistema a due macchine come

rappresentati nella fig. 17:

Con le ipotesi esemplificative normalmente ammesse nello studio dei problemi

del genere, ovvero di trascurare l'effetto della anisotropia ( Xd Xq ) delle macchine e

dei fenomeni di saturazione magnetica; si suppone inoltre trascurabile l'influenza dei

parametri trasversali (cioè linee non molto lunghe) e costante il rapporto

reattanza/resistenza per tutto il sistema.

In base alle relazioni trovate in precedenza è possibile scrivere:

Se assumiamo EB come riferimento e chiamiamo l’angolo di sfasamento di EA rispetto

ad EB , risulta:

ed

Allora l’impedenza vista dal relè distanziometrico R posto in H è:

36

Supponiamo per ora che , e separiamo la parte reale da quella

immaginaria, otteniamo la seguente equazione parametrica nel parametro m, e con

variabile :

(*)

Questa espressione nel piano complesso per ogni m fissato

(variabile fra 0 a cui corrisponde il punto H coincidente con A e 1 a cui corrisponde H

coincidente con B) ed al variare di (fra 0° e 360°) descrive una retta (fig.18 a):

Moltiplicando per Z la (*) otteniamo il luogo di .Per ogni valore di m

abbiamo una retta inclinata di (angolo caratteristico della impedenza Z di linea)

(fig. 19 b):

E’ possibile constatare che per m=0.5 e =180° il relè posto in H vede un corto circuito

trifase ( ).

Se invece di rette si hanno delle circonferenze. Supponiamo di stabilire la

dislocazione del relè (in questo modo si imposta un determinato valore di m), ed inoltre

37

sia noto il rapporto , si fissa in questo modo un solo cerchio sul piano

.

Supponiamo sia ed m = 0 (fig.20):

Sullo stesso piano si possono riportare le caratteristiche dei relè distanziometrici; per cui

si può facilmente vedere quale sia l’ampiezza delle oscillazioni che determinano

l’intervento non corretto di un tale tipo di relè istantaneamente o con ritardo.

Nell’intervallo , si dimostra che la potenza

attiva fluisce da entrambi gli estremi A e B verso l’interno del sistema; per le protezioni

wattmetriche direzionali tutto va come un cortocircuito interno alla zona protetta.

Per i sistemi di protezione a confronto di direzione, la esclusione del tronco

avviene, come sappiamo, se entrambi i relè agli estremi dello stesso danno indicazione

favorevole. Le circostanze nelle quali ciò si verifica, durante una oscillazione pendolare

si trovano facilmente sovrapponendo le caratteristiche dei due relè agli estremi del

tronco ed esaminando contemporaneamente la curva o la retta luogo di durante

l'oscillazione come è stato fatto di seguito (fig. 21):

38

MEZZI PER PREVENIRE L'INTERVENTO DEI RELÈ DURANTE LE

OSCILLAZIONI PENDOLARI

Come già detto all'inizio di questo argomento, in alcuni casi si richiede che il

relè non intervenga durante oscillazioni ma intervenga appena il sistema esce fuori

passo; in altri casi si vuole che esso non intervenga neanche quando il sistema esce fuori

passo.

Per quanto riguarda il primo tipo di relè, limitandoci ai relè distanziometrici, è

necessario restringere l'area della caratteristica di intervento del relè nel piano

dell'impedenza, in modo che la sovrapposizione col luogo delle impedenze vista dal relè

in condizioni di oscillazione, si abbia solo per valori di angolo δ raggiunti solo in

condizioni di uscita dal sincronismo. Si ammette che la massima oscillazione

prevedibile per cui il sistema sia in grado di riprendere il sincronismo non superi i

±120°.

39

Ora l’ampiezza dell’area della caratteristica di intervento che si sovrappone al

luogo delle impedenze d'oscillazione varia a seconda del tipo di relè distanziometrico

usato. Per eguale tratto protetto sul tronco MN si vede dalla figura che il relè ad

ammettenza copre uno spazio di valori di δ minore che non il relè ad impedenza

direzionale o il relè a reattanza corredato con elemento di avviamento.

Nel caso di linee lunghe il relè ad ammettenza può ancora non bastare poiché

copre un intervallo ancora troppo ampio di valori di δ. Perciò lo si correda di alcuni

elementi addizionali chiamati relè ad impedenza d’angolo (blinders). Essi hanno

caratteristica lineare e rispondono solo ad impedenze aventi un certo angolo, per

esempio -30° e +60° (fig. 23).

I loro contatti sono posti in serie con quello del relè ad ammettenza in modo che la

caratteristica risultante è quella della figura seguente:

40

Oltre all'uso di blinders per ovviare all'inconveniente di intervento durante le

oscillazioni si può ricorrere ad altri mezzi rivolti anch'essi a ridurre l'area di intervento

in modo da restringerla a valori di δ maggiori di quelli che si hanno durante le

oscillazioni normali.

Abbiamo sinora esaminato i mezzi per prevenire l'intervento durante le

oscillazioni pendolari, consentendolo invece in condizioni di uscita dal sincronismo.

Come già detto, spesso invece occorre bloccare l'intervento anche in queste

ultime condizioni, permettendo l'apertura della rete sono in alcuni punti scelti in

precedenza, cioè permettendo solo ad alcuni relè prescelti di scattare in condizioni di

fuori passo e bloccando lo scatto degli altri.

Il problema del blocco in condizioni di fuori passo si presenta quasi sempre per

relè distanziometrici ad alta velocità; questo problema viene risolto osservando che fra

l'impedenza vista dal relè durante l'uscita fuori passo e quella che si presenta per un

corto circuito, vi è una differenza sostanziale.

In condizioni di corto circuito l'impedenza varia bruscamente dal valore normale

al valore di guasto, mentre durante l'uscita fuori passo tale variazione avviene in modo

molto più graduale. E’ diversa quindi la velocità di variazione dell'impedenza e

l'intervento del relè viene perciò consentito se il tempo richiesto per la variazione da un

41

valore stabilito ad un altro è inferiore ad un certo limite. Vi sono diversi schemi basati

sul principio della velocità di variazione della impedenza.

Per esempio tracciamo la caratteristica di intervento di un relè distanziometrico

nel piano delle impedenze.Supponiamo che l’area di intervento sia circondata, e

separata dall’area di carico normale, da un’area cuscinetto indicata in fig.24. Il contorno

di questa nuova zona è in realtà la caratteristica di un altro elemento di impedenza Z3

con impedenza maggiore del precedente. Nel caso della protezione ad onde convogliate

quest’area cuscinetto coincide con l’area che corrisponde alla trasmissione di segnale da

parte dei trasmettitori.La figura in altri termini potrebbe anche rappresentare un sistema

di protezione ad onde convogliate in cui la trasmissione viene avviata dall’elemento di

terza zona ed arrestata per l’azione combinata dell’elemento direzionale e dell’elemento

di seconda zona.

Analogo significato può essere attribuito al sistema di fig.25.

42

Ora l’impedenza vista dal relè non può cambiare da un valore corrispondente al carico

normale ad un valore contenuto nell’area di scatto senza attraversare l’area cuscinetto.

In presenza di un guasto la trasmissione avviene istantaneamente mentre in condizioni

di uscita fuori passo avviene più lentamente. Il tempo occorso per il passaggio può

servire a determinare se l’intervento debba essere o meno bloccato.

RELÈ PER COMANDO DI APERTURA IN CONDIZIONI DI FUORI PASSO

Dopo aver parlato del modo di impedire l'apertura degli interruttori in condizioni

di fuori passo, diamo qualche cenno sul modo di costringere ad intervenire gli

interruttori prescelti nelle stesse condizioni. In genere è sufficiente per questo che nel

relè incaricato della separazione l'azione del dispositivo di blocco per fuori passo venga

annullata dopo un tempo stabilito, ad esempio tramite un relè cronometrico. Può

capitare che i relè di protezione già predisposti sulla rete non intervengano in presenza

di uscita fuori passo, o perché essi sono insensibili a queste condizioni o perché il luogo

dell'impedenza vista dal relè non attraversa l'area di intervento cioè la condizione di

assenza di sincronismo si identifica con quella di guasto esterno e non con quella di

guasto interno. In questi casi occorre predisporre dei relè di caratteristiche specifiche

che aprono l'interruttore.

Un metodo per distinguere fra condizioni di uscita fuori passo e guasti esterni è

di riferirsi alla velocità di variazione dell'impedenza.

Altro metodo per mettere in evidenza una situazione di fuori passo è di usare due

blinders in maniera tale che se l'impedenza vista dai relè li attraversano uno dopo l'altro

in una delle due direzioni si eccita la bobina di sgancio:

43

Un vantaggio di questo metodo consiste nel fatto che esso permette di

intervenire qualunque sia il luogo delle impedenze di oscillazione e permette di

distinguere tra oscillazioni rapide e lente.

PROTEZIONE INDIVIDUALE PER USCITA FUORI PASSO DELLE

MACCHINE SINCRONE

Un generatore o un motore sincrono possono uscire fuori passo a causa di

sovraccarichi superiore al limite di stabilità statica o per brusche variazioni di carico o

per diminuzione anormale della corrente di campo. I motori possono uscire fuori passo

anche per diminuzione troppo forte della tensione morsetti.

I relè sensibili a queste condizioni possono eccitare, a seconda della gravità del caso un

allarme che inviti alla correzione manuale o alla sconnessione o possono sconnettere

direttamente la macchina.

Abbastanza semplice è la protezione per condizioni di uscita fuori passo basata

sul fatto che il flusso di potenza si inverte alternativamente, facendo chiudere una volta

il contatto diretto ed una volta quello inverso di un relè direzionale. Prevedendo anche

un elemento contatore che chiude il circuito di sgancio solo dopo un certo numero di

inversioni si ha la possibilità di distinguere le condizioni di fuori passo dai corto circuiti

seguiti da richiusura che producono anche essi inversione di potenza.

44

Bibliografia

Pugliese P., “Dinamica delle reti elettriche”

Faletti N., Chizzolini P., “ Trasmissione e distribuzione

dell’energia Elettrica” , vol. II cap. 9

Westinghouse, “ Elettrical trasmission and distribution,

Reference book” cap. 3,4,6,10

Van C. Warrington, “protective relays ” cap. 10,11

Pratesi G., “ Le protezioni dei sistemi elettrici per

l’energia” cap.7,8

Rivista AEI del 5 aprile 1927, “ I relais di protezione

Buchholtz per i trasformatori” dell’ Ing. M. Buchholtz

45

Indice

Parte prima

PROTEZIONE DEI GENERATORI E DEI TRASFORMATORI

Introduzione ....................................................................... 2

Protezione dei generatori, premessa …………………….. 2

Classificazione dei guasti ………………………………... 3

La protezione differenziale del generatore ……………... 4

Protezione di terra statorica ……………………….......... 6

Protezione contro i corto circuiti statorici tra le spire della

Stessa fase ………………………………………………. 9

Protezioni per circuito rotorico …………………………. 11

Protezioni contro carichi squilibrati …………………….. 14

Funzionamenti anomali ………………………………..... 14

Protezioni dei trasformatori, introduzione ……………… 17

Classificazione dei guasti ……………………………... 17

La protezione differenziale del trasformatore ………… 18

46

Effetti della corrente di inserzione …………………… 21

Metodi per impedire l’intervento non necessario delle

protezioni all’atto dell’inserzione ……………………… 24

Altri sistemi di protezione …………………………….. 25

Relè Buchholtz ………………………………………... 26

Parte seconda

IL FENOMENO DELLE OSCILLAZIONI PENDOLARI

Introduzione e concetti di stabilità ………………………. 31

Relè di protezione durante le oscillazioni pendolari …..… 34

Mezzi per prevenire l’intervento dei relè durante le

oscillazioni pendolari ………………………….………… 39

Relè per comando di apertura in condizioni di fuori passo . 43

Protezione individuale per uscita fuori passo delle

macchine sincrone ……………………………………….. 44

47