Dispositivi di richiusura automatica: tutti i dettagli

Autore: Stan Thompson, Product Manager

Per coloro che utilizzano reti di distribuzione e trasmissione di potenza, i requisiti fondamentali sono la sicurezza e la riduzione al minimo dei tempi di inattività della rete. I guasti sono inevitabili, ma qualsiasi dispositivo che contribuisca a ridurre e contenere l'impatto di tali guasti troverà una buona accoglienza. I dispositivi di richiusura automatica sono ideali per questo fine.

I dispositivi di richiusura automatica si trovano più comunemente nelle reti elettriche aeree e sono utili perché, in tali reti, solo il 7% circa dei guasti è permanente. Infatti, la stragrande maggioranza dei guasti - circa l'80% - sono transitori, causati da eventi come fulmini e archi elettrici, e scompaiono in meno di un secondo. Il restante 13% dei guasti è semi permanente e in genere è causato da animali o rami che si inseriscono nelle linee elettriche. Anche tali guasti, tuttavia, in genere si dissolvono e si risolvono in un tempo relativamente breve.

Tenendo presenti queste informazioni sulla durata del guasto, è chiaro che si verificherà un elevato tempo di inattività inutile se lo schema di protezione isola semplicemente la sezione di una rete in cui si verifica un guasto e si attende che qualcuno si rechi sul campo, verifichi lo stato del guasto e reimposti l'interruttore. Una strategia molto più efficace consiste nell'isolare la parte interessata della rete e quindi, dopo un breve ritardo, nell'eccitarla nuovamente per determinare se il guasto è stato risolto. In tal caso, la rete può funzionare normalmente, ma in caso contrario, è possibile isolare nuovamente l'area interessata.

Questo isolamento seguito da un processo di rieccitazione è esattamente la funzione di un dispositivo di richiusura automatica. In linea di principio, è un dispositivo semplice. Comprende essenzialmente un interruttore automatico con relè di protezione associati, un meccanismo che consente la chiusura automatica dopo uno scatto e un controller che garantisce la funzionalità di richiusura automatica. Il numero del dispositivo standard ANSI per il controller è 79. In genere, l'intero gruppo è installato sulla parte superiore di uno dei poli o delle torri utilizzate per sostenere le linee elettriche.

Il principio di funzionamento di un dispositivo di richiusura automatica è altrettanto semplice: quando viene rilevato un guasto, l'interruttore automatico scatta. Il controller attende quindi un tempo predeterminato prima di richiudere l'interruttore. Se tutto è in buone condizioni, il processo termina, ma se il guasto persiste, l'interruttore scatta di nuovo e, dopo un ulteriore ritardo, il controller lo chiude nuovamente per una seconda volta e verifica nuovamente se il guasto è ancora presente. Se il guasto persiste, l'interruttore scatta di nuovo.

Chiaramente, questo ciclo di chiusura e sgancio potrebbe teoricamente continuare all'infinito, ma sarebbe una procedura inutile poiché un guasto che persiste per più di pochi secondi è probabilmente permanente. Naturalmente, la continua diseccitazione e rieccitazione di una linea rappresenterebbe un pericolo per la sicurezza, oltre a ridurre la stabilità della rete e rischiare di danneggiare ulteriormente le risorse. Per questi motivi, i controller per dispositivi di richiusura automatica sono progettati per bloccarsi dopo un determinato numero di cicli di sgancio/richiusura, generalmente due, tre o quattro cicli, a seconda dell'applicazione.

L'uso di dispositivi di richiusura automatica apporta molti vantaggi agli operatori di rete, non da ultimo la riduzione al minimo dei tempi di interruzione dell'alimentazione derivanti dai guasti. Ciò aiuta gli operatori delle reti a migliorare le proprie prestazioni rispetto agli standard SAIDI (System Average Interruption Duration Index, indice di durata media delle interruzioni del sistema), SAIFI (System Average Interruption Frequency Index, indice di frequenza di interruzione media del sistema) e MAIFI (Momentary Average Interruption Frequency Index, indice di frequenza di interruzione media temporanea). A sua volta, ciò comporta una ridotta perdita delle entrate. Tenere presente che sebbene gli indici SAIDI, SAIFI e MAIFI siano standard statunitensi, in Europa e nella maggior parte delle altre parti del mondo si applicano standard di prestazioni di rete analoghi.

Altri vantaggi dell'uso dei dispositivi di richiusura automatica includono una maggiore stabilità del sistema e una riduzione dei requisiti di manodopera, poiché non è necessario recarsi nella posizione del guasto per ripristinare l'interruttore. Maggiore soddisfazione del cliente, con minori interruzioni di corrente. Inoltre, l'uso di dispositivi di richiusura automatica facilita il funzionamento delle sottostazioni senza sorveglianza.

Avendo definito i vantaggi e il principio di funzionamento, passiamo ora a esaminare i dispositivi di richiusura automatica in modo più dettagliato. La Figura 1 mostra una configurazione molto semplice che incorpora un dispositivo di richiusura automatica e illustra la sequenza di operazioni con un guasto permanente. In questo caso, si presuppone che l'interruttore automatico (52) sia dotato di una protezione di base sotto forma di relè di sovracorrente istantanea (50), ma la stessa configurazione funziona altrettanto bene con altre forme di protezione.
 

Figura 1: configurazione semplice con dispositivo di richiusura automatica

La Figura 2 mostra lo schema dei tempi di questa configurazione e illustra alcuni dei parametri chiave relativi all'impostazione e al funzionamento dei dispositivi di richiusura automatica. Le definizioni di questi parametri sono:

• Tempo di funzionamento:

  del relè: tempo dall'inizio del guasto all'eccitazione della bobina di sgancio

  dell'interruttore automatico: tempo dall'eccitazione della bobina di scatto alla mitigazione dell'arco di guasto

• Tempo morto:

  dell'interruttore automatico: tempo dalla mitigazione dell'arco di guasto alla ricreazione dei contatti dell'interruttore automatico

  del controller del dispositivo di richiusura automatica: tempo dall'inizio dello schema di richiusura all'eccitazione della bobina di chiusura

• Tempo di recupero:

  del controller del dispositivo di richiusura automatica: tempo dall'eccitazione della bobina di chiusura alla mitigazione dell'arco del ciclo di sgancio successivo

• Blocco:

  dell'interruttore automatico e del controller del dispositivo di richiusura automatica: una funzione che limita il numero di tentativi di cicli di sgancio/richiusura
   

Figura 2: schema dei tempi per la configurazione illustrata nella Figura 1

I dispositivi di richiusura automatica sono solitamente disponibili nelle versioni a tre poli e a polo singolo. Nelle versioni a tre poli, tutte e tre le fasi vengono scollegate in condizioni di guasto, indipendentemente dal tipo di guasto. Ciò consente ai generatori del sistema di uscire dalla sincronizzazione, il che significa che è necessario eseguire controlli di sincronizzazione prima che venga eseguita l'operazione di richiusura. 

Al contrario, con i tipi a polo singolo, viene scollegata solo la fase in cui si è verificato il guasto. Ciò significa che l'effetto sul carico viene ridotto al minimo e la sincronizzazione dei generatori viene mantenuta. Tuttavia, è necessario utilizzare relè selettivi della fase per controllare lo scatto; inoltre, il dispositivo di richiusura richiede singoli meccanismi di chiusura/sgancio per ciascuna fase. Di conseguenza, l'opzione monofase è più complessa e costosa. Presenta poi lo svantaggio aggiuntivo che l'accoppiamento capacitivo con le fasi non interessate dal guasto comporta tempi di arco più lunghi.

La scelta del tipo di dispositivo di richiusura dipende dall'applicazione e vale la pena sottolineare che lo scopo principale dell'utilizzo dei dispositivi di richiusura spesso differisce tra le applicazioni di distribuzione a media tensione e le applicazioni di trasmissione ad alta tensione. Nel primo caso, la priorità è quella di garantire la continuità dell'alimentazione; pertanto, vengono spesso scelti i dispositivi di richiusura trifase. Nel secondo caso, tuttavia, la priorità diventa garantire stabilità e sincronizzazione, quindi i dispositivi di richiusura monofase si presentano come i più appropriati.

Nelle applicazioni di distribuzione, i dispositivi di richiusura sono generalmente configurati per il funzionamento a "salvataggio fusibile" o a "bruciatura fusibile". Con lo schema di salvataggio dei fusibili, il sistema di protezione è impostato per il funzionamento rapido al primo innesco del dispositivo di richiusura (o i primi due inneschi, a seconda dell'applicazione), quindi se il guasto si risolve rapidamente, il fusibile che fornisce la protezione di emergenza per il circuito non si brucia. Dopo i primi uno o due inneschi, la protezione passa a una curva di funzionamento lenta per garantire che il fusibile di fatto bruci, poiché il guasto è considerato permanente, e il fusibile deve isolare il circuito guasto in modo da poter ripristinare l'alimentazione al resto del sistema.
Questo tipo di funzionamento ha il vantaggio di proteggere il costoso fusibile in caso di guasti transitori, ma lo svantaggio che si verifichi un'interruzione maggiore dell'alimentazione alle utenze collegate all'alimentatore associato al dispositivo di richiusura.

Con il funzionamento a bruciatura del fusibile, il sistema di protezione collegato al dispositivo di richiusura utilizza solo la curva di funzionamento lenta, quindi qualsiasi guasto, transitorio o permanente, provoca la bruciatura del fusibile nell'area del guasto. Il vantaggio consiste nell'interruzione dell'alimentazione solo sul circuito guasto, evitando disservizi agli utenti su larga scala collegati all'alimentatore. Gli svantaggi prevedono la sostituzione del costoso fusibile dopo ogni guasto e, per le utenze alimentate dal circuito protetto dal fusibile, l'interruzione dell'alimentazione per il tempo necessario a recarsi in loco e all'intervento di sostituzione.

Per illustrare i tipi di impostazioni presenti su un dispositivo di richiusura tipico, la Figura 3 mostra i dettagli di un'unità di tipo SEL-315R impostata per il blocco dopo tre inneschi. Tutti gli intervalli di tempo sono specificati in termini di numero di cicli di alimentazione, ossia, su un sistema a 60 Hz, un'impostazione di 60 equivale a un secondo.
 

Figura 3: impostazioni di configurazione di un relè per dispositivo di richiusura di tipo SEL-351R

In queste impostazioni, 79OI1 è l'intervallo di apertura prima del primo tentativo di richiusura ed è impostato su 120 cicli o due secondi. 79OI2 è l'intervallo di apertura prima del secondo tentativo di richiusura e anche questo è impostato su 120 cicli. 79OI3, l'intervallo di apertura prima del terzo tentativo di richiusura, è tuttavia impostato su 300 cicli o cinque secondi. 79OI4, l'intervallo di apertura prima del quarto tentativo di richiusura, è impostato su zero, il che indica al relè che non deve essere effettuato alcun quarto tentativo, quindi che deve bloccarsi dopo tre tentativi.

79RSD è il tempo successivo a una richiusura priva di guasti prima che il relè venga ripristinato e rilevi ulteriori guasti come eventi separati. Analogamente, 79RSLD è il tempo di ripristino dopo un blocco, ossia il tempo durante il quale l'interruttore automatico deve rimanere chiuso a seguito di un ripristino dopo un blocco, prima che il funzionamento del relè del dispositivo di richiusura automatica venga ripristinato completamente. 79CSLD … (questo punto non viene spiegato nella presentazione, è necessario eliminare questo riferimento o aggiungere una spiegazione.)

I dispositivi di richiusura automatica possono essere testati utilizzando apparecchiature di verifica per relè di protezione standard come gli strumenti della gamma SMRT di Megger. Tuttavia, si verifica una complicazione quando si tratta di effettuare i collegamenti tra l'apparecchiatura di verifica del relè e il sistema di richiusura automatica. I collegamenti al dispositivo di richiusura automatica sono sempre in forma di cavi e connettori a più vie, con le varianti a 14 pin, 19 pin e 32 pin utilizzate più comunemente. È ovviamente possibile realizzare cavi ad hoc per testare tipi specifici di dispositivi di richiusura, ma si tratta di un processo lungo e noioso, particolarmente svantaggioso quando scopo del tecnico è rimettere in servizio il dispositivo di richiusura automatica il più rapidamente possibile.

Per affrontare questa sfida, Megger ha sviluppato il nuovo simulatore di test per dispositivi di richiusura elettronici ERTS, illustrato nella Figura 4. Progettato per essere posizionato tra il dispositivo di richiusura automatica e un'apparecchiatura di verifica per relè SMRT, questo nuovo strumento accetta cavi standardizzati a 14 pin, 19 pin e 32 pin e consente di eseguire rapidamente e facilmente l'inoltro dei segnali che trasporta agli ingressi e alle uscite dell'apparecchiatura di verifica SMRT.

Figura 4: il nuovo simulatore di test per dispositivi di richiusura ERTS di Megger

Questa configurazione è rapida e facile da usare e permette di utilizzare le numerose funzionalità dell'apparecchiatura di verifica SMRT per valutare le prestazioni del sistema di richiusura automatica. Un modulo di test specifico per il test dei dispositivi di richiusura automatica è, di fatto, già incluso nella libreria del software AVTS utilizzato con l'SMRT.

Oltre alla facilità d'uso, un importante vantaggio della combinazione ERTS e SMRT è che, a differenza di altre opzioni per il test del dispositivo di richiusura, supporta completamente sia i dispositivi di richiusura monofase che trifase e consente il controllo e la verifica del funzionamento del controller del dispositivo di richiusura automatica e del dispositivo di richiusura stesso.

I dispositivi di richiusura svolgono un ruolo importante nel migliorare l'affidabilità e la stabilità delle reti elettriche e, poiché la percentuale di successo dei dispositivi di richiusura nella gestione dei guasti è elevata - circa l'80% dei guasti viene eliminato al primo colpo - tali dispositivi apportano un grande contributo al miglioramento del flusso di ricavi per gli operatori di rete e i servizi di pubblica utilità. E ora, con l'introduzione dell'innovativo simulatore di test ERTS di Megger, testare i dispositivi di richiusura è più semplice, veloce e conveniente che mai!

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