Test end-to-end per la protezione differenziale di linea

Autore: Sughosh Kuber, Relay Applications Engineer

Introduzione

La protezione differenziale di linea è una delle forme più comuni di protezione della linea di trasmissione. Questo tipo di protezione si basa sulla legge sulla corrente di Kirchoff, che stabilisce che la corrente che fluisce in una linea deve essere uguale alla corrente che fuoriesce dalla linea. Con la protezione differenziale di linea, la zona di protezione è definita dalla posizione dei trasformatori di corrente (CT) che monitorano le correnti su ciascuna estremità della linea. Quando si verifica un guasto, è fondamentale che i relè di protezione sulle estremità della linea comunichino tra loro ed emettano un segnale di attivazione per i guasti in zona.

Nella Figura 1, uno schema a linea singola mostra la disposizione dei relè differenziali di corrente di linea (87L) installati sulle estremità di una linea di trasmissione. I relè, denominati relè locale e relè remoto, monitorano la corrente dai loro CT associati e comunicano tra loro tramite cavi in fibra ottica. Quando si verifica un guasto sulla linea, i relè vedono contemporaneamente il guasto. In base alle informazioni ricevute dall'altra estremità della linea, i relè decidono cosa fare: attivare o vincolare. I produttori di relè utilizzano vari metodi per misurare e confrontare le correnti nei relè di protezione differenziale: confronto di grandezza, confronto di fasori, confronto di fasi, confronto di cariche e varie combinazioni di questi. Un metodo molto diffuso consiste nell'utilizzare la caratteristica del piano alfa per determinare la condizione differenziale della linea.

Questo articolo illustra la protezione differenziale di linea, l'importanza dei test end-to-end e la procedura per eseguire il test delle caratteristiche del piano alfa utilizzando il metodo di test end-to-end. In particolare, il test dell'elemento 87L viene considerato in relazione alla precisione di rilevamento, all'ora di funzionamento, all'affidabilità (simulando i guasti interni) e alla sicurezza (simulando i guasti esterni).

Comprensione delle caratteristiche del piano alfa

Quando il rapporto delle correnti di fase (o delle correnti di sequenza) che entrano o escono da una linea di trasmissione è rappresentato geometricamente su un piano complesso, questo costituisce la caratteristica del piano alfa. Le correnti prese in considerazione per il calcolo del rapporto possono essere monitorate sui valori delle correnti di fase in relè locali e remoti oppure delle correnti calcolate dalle equazioni che utilizzano componenti reali e immaginari del differenziale e vincolano le correnti ottenute dalle correnti di fase monitorate. Modelli diversi di relè utilizzano algoritmi diversi. Nella Figura 2, k rappresenta il rapporto delle correnti.

Figura 1: Implementazione della protezione differenziale di linea

L'area di stabilità e di scatto può essere determinata dai parametri delle caratteristiche con cui qualsiasi caratteristica percentuale del differenziale può essere mappata sul piano alfa. La regione di vincolo è definita dal raggio dell'arco maggiore (R), dal raggio dell'arco interno (1/R) e dall'angolo (α). Il raggio dell'arco maggiore e dell'arco interno determina il raggio della regione di vincolo (area di stabilità) e l'angolo (α) rappresenta l'estensione angolare della regione di vincolo. Ogni fase ha le sue caratteristiche di piano alfa. Nell'esempio della Figura 1, se la corrente di fase A monitorata dal relè locale è 3∠0°, il relè remoto registrerà 3∠180°. Il rapporto tra corrente remota e corrente locale sarà:

Sul piano alfa, questo rapporto verrà tracciato sull'asse reale a sinistra dell'asse immaginario. Come si può vedere nella Figura 2, questo rientra nella regione di vincolo, che è anche l'area di stabilità. Questo caso può essere correlato alla condizione di carico nominale o a un guasto esterno, a seconda dei livelli di corrente.

Figura 2: Caratteristiche del piano alfa

In caso di guasto interno, le correnti lette da entrambi i relè per le rispettive fasi tendono a essere in fase mentre monitorano le correnti che alimentano il guasto. In questo modo viene tracciato il rapporto risultante a 0°, che rientra nella regione di attivazione delle caratteristiche del piano alfa mostrate sopra.

L'importanza dei test end-to-end

Il test end-to-end è la valutazione di uno schema di protezione dei relè simulando contemporaneamente le condizioni di guasto su entrambe le estremità della linea di trasmissione. È fondamentale che i sistemi di test su ciascuna delle linee siano sincronizzati in modo che le correnti di test possano essere iniettate contemporaneamente in tutti i terminali dei relè. I relè differenziali di linea ricevono le correnti dai rispettivi terminali e ricevono anche, tramite varie modalità di comunicazione, i dati relativi alle correnti in corrispondenza del relè remoto. Poiché i relè inviano pacchetti di informazioni con indicazione dell'ora l'uno all'altro, anche un piccolo errore di temporizzazione durante l'iniezione può contrassegnare i pacchetti in modo errato, causando un funzionamento non corretto o non intenzionale.

Per evitare questo problema, viene utilizzato un segnale orario da un orologio GPS (Global Positioning System) per sincronizzare i sistemi di test su ciascuna estremità della linea. I segnali orari sono disponibili in varie forme, come impulsi al secondo (1 PPS), IRIG-B, protocollo tempo di precisione (PTP), ecc. In questo articolo, viene preso in considerazione solo lo standard di sincronizzazione del tempo IRIG-B. Il metodo di test end-to-end richiede due set di apparecchiature di test dei relè con la capacità di decodificare il segnale IRIG-B in modo che l'iniezione di segnali analogici possa essere attivata simultaneamente in entrambi i set di apparecchiature. (Vedere la Figura 3.)

Figura 3: Test end-to-end: il quadro intero

Il segnale IRIG-B proveniente dal ricevitore GPS, con la sua antenna associata, è disponibile anche per i relè sottoposti a test. Questo tipo di test viene utilizzato per valutare i nuovi schemi di protezione durante la messa in funzione della sottostazione, risolvere i problemi di malfunzionamento dei relè, verificare le modifiche alle impostazioni dei relè e per altri scopi.

Gli elementi necessari per eseguire i test end-to-end includono:

• Due serie di apparecchiature di test dei relè con la capacità di decodificare i segnali IRIG-B e generare correnti con le grandezze e gli angoli di fase specificati nel piano di test
• Ricevitori GPS
• Cavi coassiali (per collegare il ricevitore GPS e i set di test dei relè e i relè)
• Due computer (per azionare i set di test dei relè nelle rispettive sottostazioni)
• Un mezzo di comunicazione tra i tecnici dei test (telefoni cellulari o altre apparecchiature di comunicazione vocale)
• Test del software con piani di test predefiniti

Se implementati correttamente, gli schemi di protezione basati sulla comunicazione forniscono una protezione più efficiente e affidabile per le linee di trasmissione rispetto agli schemi basati su più relè che non comunicano tra loro. Inoltre, anche se è senza dubbio più semplice testare i singoli relè in uno schema, è meglio testare l'intero schema nel suo complesso, in quanto non solo convalida i singoli componenti, ma anche il sistema di comunicazione.

Procedura di test

È possibile organizzare un test per simulare un sistema simile a quello mostrato nella Figura 3. I segnali IRIG-B devono essere forniti agli ingressi appropriati dell'apparecchiatura di test dei relè e ai relè sottoposti a test. I collegamenti di test per l'iniezione di segnali analogici nei relè devono essere realizzati su entrambe le estremità. I contatti di uscita di riserva su entrambi i relè devono essere programmati per l'elemento 87L. Verranno quindi discussi i test di rilevamento del differenziale di fase, i test di controllo del raggio, i test dei confini dell'estensione angolare e i test di temporizzazione per un guasto interno. Ai fini di questo articolo, il relè di protezione è un tipo con un algoritmo che funziona con le correnti derivate dai calcoli che utilizzano le parti reali e immaginarie di correnti differenziali e di vincolo ottenute dalle correnti di fase monitorate.

Impostazioni del relè

Rilevamento dell'elemento differenziale di fase: 0,72 pu

Raggio dell'elemento differenziale di fase ( R ): 6

Angolo di blocco dell'elemento differenziale di fase ( α ): 195°

Test di rilevamento del differenziale di fase

Il test di rilevamento del differenziale di fase convalida la logica 87L e l'impostazione del rilevamento quando la corrente iniettata è superiore all'impostazione. Questo test può essere eseguito separatamente su ciascuna fase a ciascuna estremità e non richiede la sincronizzazione dell'ora. In base a un'impostazione del relè di 0,72 pu e a una corrente nominale di 5 A, il valore di rilevamento calcolato è di 3,6 A. Pertanto, l'elemento 87L dovrebbe essere rilevato a 3,6 A. 

Figura 4: Grafico delle caratteristiche del piano alfa: test del raggio dell'arco interno

Test di controllo del raggio

Il test di controllo del raggio viene eseguito per convalidare il confine della regione di vincolo nel piano alfa rispetto al raggio dall'origine. Inizialmente, il test deve essere eseguito per verificare il rilevamento dell'impostazione del raggio dell'arco interno della regione di vincolo. La distanza dall'origine all'arco interno della regione di vincolo è definita da 1/R come mostrato nella Figura 2. In base alle impostazioni del relè, 1/R = 1/6 = 0,16. Una volta sincronizzati i set di test durante la fase di pre-guasto, i valori del test devono essere modificati durante lo stato di guasto. Il valore di test a cui l'elemento 87L scatta deve essere 0,80∠0° amp. Questo valore si traduce in una distanza di 0,16 pu dall'origine all'arco interno. Nella Figura 4, per confermare l'impostazione 1/R, la caratteristica del piano alfa mostra le variazioni nel grafico del rapporto complesso man mano che viene modificata la corrente di test. La Tabella 1 elenca le correnti di fase A da iniettare nei relè locali e remoti negli stati di pre-guasto e guasto. In base alle correnti iniettate, i relè utilizzano equazioni differenziali e vincolate per calcolare le correnti derivate e il rapporto di queste correnti derivate viene tracciato sul piano alfa per definire il funzionamento dell'elemento 87L.

Dopo aver confermato l'impostazione 1/R, il test successivo verifica l'impostazione del raggio dell'arco esterno della regione di vincolo. Nella Figura 2, questa impostazione del raggio è mostrata come R. Per verificare l'impostazione R, vengono iniettati gli stessi valori di pre-guasto di prima. Tuttavia, le correnti dello stato di guasto sul relè locale vengono variate fino a 30 A. Ciò equivale a 6 pu, il raggio della regione di vincolo. Non appena la corrente aumenta a più di 30 A, il rapporto complesso sul piano alfa attraversa la regione di vincolo e il relè dovrebbe scattare. La procedura di test descritta si riferisce alla fase A, ma per testare le fasi B e C viene seguita la stessa procedura.

Test di controllo del confine dell'estensione angolare 

Questo test viene eseguito per convalidare l'estensione angolare della regione di vincolo sul piano alfa. L'impostazione dell'estensione angolare è mostrata come α nella Figura 2. L'impostazione α del relè sottoposto a test in questo esempio è di 195°. Pertanto, è necessario eseguire l'iniezione di corrente predefinita con l'angolo di fase ∠0° sul relè locale e ∠180° sul relè remoto. Nello stato di guasto, l'angolo di fase delle correnti analogiche al relè locale deve essere modificato in senso antiorario. Il relè deve scattare a un angolo di fase di 98°.

Nella Figura 5, la caratteristica del piano alfa mostra le modifiche nel grafico del rapporto complesso in base alla variazione dell'angolo di fase. Ciò convalida l'estensione angolare della regione di vincolo. Il test successivo deve essere eseguito per confermare l'estensione angolare nella direzione opposta dall'origine. L'angolo di fase in stato di guasto deve essere modificato in senso orario per il relè locale. I relè devono scattare a un valore di -98°. La differenza di estensioni angolari tra il primo e il secondo test è di 98°- (-98°) = 196°. Questo risultato corrisponde strettamente all'impostazione dell'estensione angolare del relè (195°). La procedura di test descritta in precedenza si riferisce alla fase A, ma per le fasi B e C viene utilizzata la stessa procedura.

Figura 5: Grafico delle caratteristiche del piano alfa: test di controllo del confine dell'estensione angolare

Test di temporizzazione (per un guasto interno)

È possibile simulare un guasto interno per eseguire un test di temporizzazione sull'elemento 87L. Gli stati di pre-guasto e guasto sono impostati con i valori indicati nella Tabella 5. Idealmente, il relè locale e i relè remoti devono scattare entro un ciclo di rilevamento di un guasto interno. Nella Figura 6, la caratteristica del piano alfa mostra il percorso del grafico del rapporto complesso che passa dalla regione di vincolo alla regione operativa in base alla commutazione dell'iniezione della corrente dallo stato predefinito allo stato di guasto.

Figura 6: Grafico delle caratteristiche del piano alfa - test di temporizzazione dei guasti interni

È possibile utilizzare una configurazione simile degli stati di pre-guasto e guasto per simulare le correnti di guasto esterne. I relè devono limitare il rischio di scatto, poiché il rapporto complesso delle correnti si traccia sulla regione di vincolo del piano alfa.

I relè possono anche avere impostazioni abilitate per la sequenza negativa 87L e per gli elementi di sequenza zero 87L per fornire protezione per guasti singoli linea-massa e condizioni di guasto sbilanciate. I test discussi per gli elementi di fase in questo articolo devono essere eseguiti anche per confermare gli elementi della sequenza negativa e della sequenza zero.

Conclusione

La maggior parte delle utenze di tutto il mondo implementa la protezione differenziale di linea. È importante confermare lo schema di protezione per il funzionamento corretto in condizioni di guasto. Il test end-to-end convalida l'intero schema di protezione basato sulla comunicazione, incluso il funzionamento dei relè e la comunicazione tra i relè. La conoscenza dei metodi di test end-to-end e l'esperienza sul campo aiutano i tecnici a eseguire i test in modo più efficiente. Questo articolo fornisce una panoramica del test della protezione differenziale di linea utilizzando il metodo di test end-to-end, nonché del test delle caratteristiche del piano alfa per convalidare l'elemento differenziale di linea con test di rilevamento, raggio ed estensione angolare.