Le molteplici applicazioni della protezione direzionale

Le molteplici applicazioni della protezione direzionale

La protezione direzionale (simbolo I>￩ e codice ANSI “67”) è necessaria quando la semplice protezione per sovracorrenti non basta ad assicurare la selettività. Essa si basa sul principio che i relais che comandano gli interruttori riconoscano, per così dire, il verso in cui fluisce l’energia e gestiscano gli interventi in base ad esso.

Consideriamo il caso in figura. È possibile ottenere la selettività regolando opportunamente i tempi di intervento delle protezioni (selettività temporale).

Si consideri però il semplice caso di una linea bi-alimentata come in figura.

La linea tra i punti A e B alimenta le cabine C_2, C₃, C₄, C₅ (C_A e C_B rappresentano le sbarre delle stazioni di alimentazione). I relè da 1 a 4 sono sensibili alla corrente nel verso da A a B e sono temporizzati con gradini decrescenti da A verso B, mentre gli interruttori da 4’ a 1’ sono sensibili alla corrente nel verso da B ad A e sono regolati con tempi di intervento decrescenti da B verso A.

Si supponga un guasto nel tratto compreso tra le cabine C₂ e C₃. Resteranno inibiti dal blocco direzionale i relais n. A e 1 nella direzione da A a C₂, così come i relè indicati con B’ e 1’ nella direzione da B a C₃.

Si avrà quindi lo scatto iniziale dell’interruttore 2 della cabina C₂, in quanto lungo la direttrice A non esistono tempi più brevi con consenso direzionale, e dell’interruttore 3’ della cabina C₃, in quanto anche lungo la direttrice B non esistono tempi più brevi con consenso direzionale. Il tratto fra le cabine C₂ e C₃ rimarrà pertanto isolato e la perturbazione eliminata. Le barre e tutte le linee da esse partenti non subiranno interruzioni.

Ovviamente il numero massimo di gradini per cui non si ha il pericolo di sovrapposizione è limitato dalla velocità di apertura degli interruttori e dalla necessità di assicurare l’integrità degli impianti in caso di corto circuito.

Sugli interruttori posti immediatamente a valle dei punti di alimentazione A e B conviene predisporre una protezione contro il corto circuito con intervento pressoché istantaneo.

Un altro esempio di alimentazioni multiple che richiedono il ricorso alla protezione direzionale è dato da due trasformatori in parallelo in una cabina MT/BT. Supponiamo, tanto per complicare le cose, che tra i secondari dei trasformatori vi sia anche un congiuntore di sbarra. Si vuole evitare che il guasto a un trasformatore metta fuori servizio l’intera cabina.

Avendo impostato la direzione delle correnti cui sono sensibili i relè, un guasto, ad esempio, sulla sbarra A richiede l’intervento rapido dell’interruttore T_A, mentre T_Cong deve aprire e simultaneamente “avvertire” T_B di non intervenire. È evidente che in questo caso la semplice selettività basata sulla temporizzazione non è più adatta, perché T_A deve intervenire prima di T_B nel caso di guasto sulla sbarra A, ma è vero il contrario nel caso di guasto sulla sbarra B. T_Cong “decide” quale dei due interruttori, T_A o T_B, deve interdire sulla base della direzione della corrente di guasto che lo attraversa. Si potrebbe pensare di far intervenire T_Cong in un tempo più breve sia di T_A che di T_B, ma questo complicherebbe le cose in caso di guasto a monte di T_A o di T_B, che deve essere eliminato più rapidamente.

Altri casi in cui bisogna ricorrere alla protezione direzionale sono rappresentato da cabine ubicate lungo un anello chiuso e da linee in parallelo, in entrambi i casi con monoalimentazione.

Nella rete in figura è possibile realizzare la selettività temporale:

Tuttavia è facile vedere che, se l’anello è chiuso, il semplice criterio della differenziazione dei tempi di intervento non basta più ed è necessario definire anche la direzione del flusso di potenza che alimenta il guasto.

Se però l’anello ha una doppia fonte di alimentazione la protezione direzionale non è più sufficiente ad assicurare la selettività.

Infatti il ricorso alle protezioni direzionali in genere non si applica alle reti di trasmissione, in quanto più complesse e quindi protette con sistemi più sofisticati e costosi, quali la protezione distanziometrica.

Un altro caso in cui di solito si applica la protezione direzionale è quello di linee in parallelo monoalimentate, per le quali occorre installare sugli arrivi protezioni direzionali a intervento rapido, che provvedono all’apertura della linea in caso di guasto, prevenendo lo scatto delle protezioni direzionali installate sull’altro capo delle linee.

In sostanza, per quanto riguarda il guasto tra le fasi, la protezione direzionale si utilizza nel caso di sistemi plurialimentati, di anelli chiusi monoalimentati, di linee in parallelo.

La protezione direzionale, tuttavia, è utile anche in alcuni casi di guasto a terra.

Consideriamo il caso abbastanza frequente di reti di MT esercite in configurazione radiale. Il neutro può essere isolato o messo a terra, eventualmente tramite impedenza, con conseguente diverso comportamento della rete in caso di guasto a terra.

Nelle reti radiali la protezione direzionale di terra (67N o I_r￩) si usa per esempio nel caso di lunghe linee, quindi con elevata capacità verso terra. In questi casi, in dipendenza dal valore della componente resistiva della corrente di terra, può accadere che la corrente capacitiva sia dello stesso ordine di grandezza del livello della protezione necessaria ad assicurare una corretta protezione della linea.  Allora la protezione direzionale assicura la necessaria selettività, mediante un opportuno settaggio del relè, che consente di selezionare la protezione ad un livello anche più basso della corrente capacitiva. Con una opportuna scelta dell’angolo di intervento si assicura la selettività.

Un’altra situazione in cui è opportuno ricorrere alla protezione direzionale per i guasti verso terra

si ha nel caso di reti radiali con più punti di messa a terra del neutro.

Come si vede in figura, se c’è un guasto a terra e interviene la protezione sul collegamento del neutro a terra, l’altra alimentazione continuerà a funzionare solo se la protezione direzionale a monte interviene prima di quella a valle. Infatti, siccome i due collegamenti di terra sono praticamente in parallelo, se le protezioni sui collegamenti di terra fossero più veloci, potrebbero intervenire entrambe, a danno della selettività e della continuità del servizio.

In senso lato questo è il caso di reti di distribuzione pubblica che alimentano cabine MT/BT utente. Anche adesso, tuttavia, la protezione direzionale è necessaria soltanto se la lunghezza dei cavi a valle della protezione è tale che la corrente capacitiva diventa comparabile con il settaggio della protezione 51N.

Si consideri che nel caso di linea in cavo il contributo della linea alla corrente capacitiva è dato dalla relazione approssimata I_c = 0.2*L*V, dove L è la lunghezza della linea e V la tensione in kV.

Per le linee aeree la formula è I_c = 0.003*L*V.

La sola protezione di massima corrente 51N, infatti, pur essendo comunque necessaria, non sempre basta, in quanto deve intervenire per guasto a valle, ma non deve intervenire per un guasto a monte. Questo significa che il suo settaggio deve essere maggiore del contributo che l’impianto a valle fornisce in caso di guasto a monte e simultaneamente deve essere minore della corrente di guasto monofase a terra a valle della cabina (che comprende il contributo di tutte le linee della rete MT).

Quando la corrente capacitiva della rete è molto maggiore del contributo della sotto-rete utente, come nel caso delle reti con neutro isolato, il problema non si pone. Nelle reti con neutro compensato, invece, la differenza è relativamente piccola, per cui occorre discriminare i seguenti due casi:

Guasto lato rete: le due fasi della linea utente (corrispondenti alle due fasi sane della linea con il guasto) sono interessate da una corrente capacitiva in quadratura in anticipo sulla tensione omopolare. Il relè direzionale andrà regolato in modo che tale corrente ricada nell’area di non intervento del relè.

Guasto lato utente: il trasformatore di corrente toroidale sulla linea misura una corrente praticamente resistiva in opposizione di fase alla tensione omopolare, che ricadrà nell’area di intervento del relè.

Invero, a dispetto di quanto sopra detto, la possibilità che la protezione con un relè amperometrico non basti si ha anche nelle reti con neutro isolato, se il guasto a terra è di elevata resistenza. Si supponga, infatti, di avere delle linee in media tensione con corrente omopolare in caso di guasto a terra di resistenza nulla ciascuna di I_0i. Un guasto su una di esse (per esempio la ennesima) genererà su questa una corrente omopolare I_0n data dalla somma delle correnti omopolari nelle altre linee: I_0n = ∑I_0i (con i≠n) che sarà ben superiore al settaggio del relè ennesimo. Tuttavia, se la resistenza del guasto è elevata, accade o che la corrente è abbastanza bassa da non consentire il sicuro intervento del relè sulla linea ennesima o, se si tiene prudenzialmente questo settaggio molto basso, che può venir meno la selettività e può intervenire anche un relè su qualche altra linea. Siccome la corrente omopolare nella linea guasta è in opposizione di fase con le correnti nelle linee non affette dal guasto, essa sarà di conseguenza in quadratura in ritardo rispetto alla tensione omopolare e quindi il ricorso alla protezione direzionale risulta efficace.