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La maggior parte dei guasti nella distribuzione aerea svanisce in pochi millisecondi. Un ramo d'albero sfiora un conduttore, un fulmine provoca un flashover, la fauna selvatica collega due fasi: il guasto si annulla da solo. Un recloser correttamente configurato distingue questi eventi temporanei dai guasti permanenti, ripristinando automaticamente l'alimentazione mentre i clienti se ne accorgono appena. Se si sbagliano le impostazioni, ci si trova di fronte a due modalità di guasto: interventi fastidiosi che frustrano i clienti e fanno perdere tempo al personale, oppure cancellazioni pericolosamente lente che danneggiano i conduttori e mettono fuori uso intere linee di alimentazione.
Questa guida copre i tre pilastri che ogni tecnico della protezione deve comprendere: curve tempo-corrente, sequenze di richiusura e coordinamento dei dispositivi. Sia che stiate configurando il vostro primo richiuditore o che stiate verificando uno schema di protezione esistente, questi fondamenti si applicano a tutte le piattaforme di produttori e a tutte le classi di tensione.
Le curve caratteristiche tempo-corrente (TCC) costituiscono il fondamento di tutte le impostazioni dei reclusori. Una curva TCC mette in relazione l'entità della corrente di guasto (asse orizzontale, in ampere) con il tempo di funzionamento (asse verticale, in secondi), rispondendo a una domanda cruciale: per una data corrente di guasto, quanto tempo attenderà il recloser prima di intervenire?
La relazione segue una caratteristica inversa: correnti di guasto più elevate producono un funzionamento più rapido. Un guasto da 5.000 A può essere eliminato in 0,05 secondi, mentre un guasto da 600 A, vicino alla soglia di prelievo, può richiedere 2,0 secondi o più. Questo comportamento inverso corrisponde alle caratteristiche di danno termico delle apparecchiature protette: i guasti gravi richiedono una risposta immediata, mentre le sovracorrenti di minore entità lasciano il tempo di coordinarsi con i dispositivi a valle.
Famiglie di curve e criteri di selezione
Le famiglie di curve standard seguono le espressioni matematiche definite da IEEE C37.112 e IEC 60255-151:
| Tipo di curva | Caratteristica | Migliore applicazione |
|---|---|---|
| Inverso standard (SI) | Pendenza moderata, riduzione graduale del tempo | Protezione generale dell'alimentatore |
| Molto inverso (VI) | Pendenza maggiore, migliore discriminazione della corrente | Sistemi con ampia variazione di corrente di guasto |
| Estremamente inverso (EI) | Pendenza massima, risposta rapida alle correnti elevate | Coordinamento dei fusibili, protezione dei trasformatori |
L'equazione generale del tempo inverso è la seguente: t = TMS × k ÷ ((I/Ip)α - 1), dove t rappresenta il tempo di funzionamento in secondi, TMS è l'impostazione del moltiplicatore di tempo (in genere 0,05-1,0), I è la corrente di guasto, Ip è la corrente di pick-up e α determina la ripidità della curva.
Le curve estremamente inverse rispondono circa 8-10 volte più velocemente quando la corrente raddoppia da 2× a 4×, rispetto alle curve inverse standard che sono solo 3-4 volte più veloci. Questa forte pendenza è strettamente parallela alle caratteristiche di fusione dei fusibili, rendendo le curve EI ideali per gli schemi di coordinamento a risparmio di fusibili.
Impostazioni della corrente di prelievo e del moltiplicatore di tempo
Due parametri determinano ogni applicazione della curva. La corrente di prelievo stabilisce la soglia al di sopra della quale la curva si attiva, solitamente impostata a 1,5-2× la corrente di carico massima per evitare scatti durante il prelievo a freddo o lo spunto del trasformatore. L'impostazione del moltiplicatore di tempo (TMS) sposta l'intera curva in verticale, con valori più alti che producono un funzionamento più lento a qualsiasi corrente.
Durante la messa in servizio di 78 recloser installati su alimentatori agricoli, abbiamo documentato che le curve molto inverse fornivano un coordinamento ottimale con i fusibili a valle da 40-200 A. La pendenza moderata della curva consentiva ai recloser di funzionare più rapidamente dei fusibili durante i guasti di elevata entità, pur rimanendo più lenti durante gli eventi di livello inferiore.
[Expert Insight: Selezione della curva nella pratica].
Le sequenze di richiusura determinano il numero di volte in cui un richiuditore tenta il ripristino automatico prima di bloccarsi. I dati sul campo mostrano costantemente che il 70-90% dei guasti alle linee aeree sono temporanei: le sequenze programmate correttamente eliminano questi eventi senza interruzioni prolungate.
Anatomia e notazione della sequenza
La notazione standard descrive le operazioni prima del blocco. Una sequenza “1F-2S” significa un'operazione veloce seguita da due operazioni lente, quindi il blocco se il guasto persiste. La distinzione è importante: le operazioni rapide utilizzano curve di sgombero rapido per verificare se i guasti si auto-annullano, mentre le operazioni lente utilizzano curve ritardate che si coordinano con i fusibili a valle.
| Sequenza | Operazioni | Applicazione tipica |
|---|---|---|
| 1F-2S | 1 veloce, 2 lento, blocco | Alimentatori aerei generici |
| 2F-2S | 2 veloci, 2 lenti, blocco | Linee rurali soggette a fulmini |
| 1F-1S | 1 veloce, 1 lento, blocco | Alimentatori urbani che danno priorità alla qualità dell'energia |
| 1 scatto | Viaggio singolo, blocco | Cavo interrato (guasti tipicamente permanenti) |
Tempo morto e deionizzazione dell'arco
L'intervallo tra l'intervento e la richiusura, detto tempo morto o intervallo di richiusura, influisce direttamente sui tassi di successo. Intervalli brevi (0,3-0,5 secondi) consentono un ripristino rapido, ma potrebbero non permettere una deionizzazione completa dell'arco. Intervalli più lunghi (15-30 secondi) migliorano la probabilità di ripristino per i guasti temporanei persistenti.
Nelle regioni a rischio di fulmini del sud-est asiatico, l'estensione del primo intervallo di richiusura da 0,5 a 2 secondi ha ridotto di 25-30% i blocchi non necessari. Il plasma dell'arco richiede tempo per dissiparsi prima che la rigidità dielettrica si ripristini in modo sufficiente per una rienergizzazione efficace.
Elementi istantanei nella progettazione di sequenze
I moderni controllori di richiusura consentono di attivare o disattivare gli elementi di intervento istantaneo in modo indipendente per ogni scatto. Una configurazione comune attiva la protezione istantanea solo sulle prime due operazioni, quindi la disabilita per i tentativi successivi. Questo approccio combina un rapido sgombero per i guasti ravvicinati con un coordinamento ritardato per gli eventi persistenti sui rubinetti laterali.
Secondo la norma IEEE C37.60, gli elementi istantanei si attivano in genere entro 30-50 millisecondi quando la corrente di guasto supera 4-12 volte il valore nominale di intervento minimo. Per un richiuditore con intervento minimo di 200 A, il pick-up istantaneo tra 800 A e 2.400 A bilancia la sensibilità con i requisiti di coordinamento.
Il coordinamento organizza i dispositivi di protezione in modo da far intervenire solo l'unità più vicina al guasto, riducendo al minimo i clienti interessati. Un cattivo coordinamento crea due modalità di guasto: i dispositivi a monte si attivano per primi (oscurando intere linee di alimentazione per i guasti laterali), oppure più dispositivi si attivano contemporaneamente (prolungando la durata dell'interruzione e complicando il ripristino).
Requisiti dell'intervallo di tempo di coordinamento
L'intervallo di tempo di coordinamento (CTI) rappresenta il margine minimo richiesto tra le curve dei dispositivi. La norma IEEE C37.230 raccomanda 0,2-0,3 secondi per i dispositivi elettromeccanici, tenendo conto del tempo di interruzione degli interruttori (50-80 ms per le moderne unità a vuoto), della corsa eccessiva dei relè e delle tolleranze di temporizzazione.
Per ottenere il coordinamento è necessario analizzare l'entità della corrente di guasto in più punti. Per un tipico alimentatore a 15 kV, la corrente di guasto può variare da 8.000 A vicino alla sottostazione a 1.200 A ai capi linea remoti. La TCC di ogni dispositivo deve mantenere il margine CTI richiesto in tutto questo intervallo: le curve che si incrociano in qualsiasi punto della zona operativa indicano un fallimento del coordinamento.
Filosofia del risparmio e della chiusura dei fusibili
Due filosofie in competizione governano il coordinamento tra chiusure e fusibili:
| Filosofia | Funzionamento | Vantaggio | Svantaggio |
|---|---|---|---|
| Risparmio di fusibili | La curva veloce del richiamo interviene prima della fusione del fusibile | Conserva i fusibili in caso di guasti temporanei, riducendo il rollio dei carrelli. | L'interruzione momentanea interessa l'intero alimentatore |
| Cancellazione dei fusibili | Il fusibile si brucia per primo, il richiuditore fa da backup | Limita l'interruzione al solo laterale guasto | Costo di sostituzione dei fusibili più elevato |
Molte aziende di servizi pubblici nordamericane si sono orientate verso schemi di sgancio dei fusibili a causa della sensibilità dei clienti alle interruzioni momentanee. Metriche di qualità dell'alimentazione come il MAIFI (Momentary Average Interruption Frequency Index) guidano sempre più le decisioni sulla filosofia di protezione.
Coordinamento dei sezionatori
I sezionatori non hanno potere di interruzione: contano le operazioni di richiusura a monte e si aprono durante il tempo morto per isolare le sezioni guaste. Le impostazioni comprendono il conteggio dei colpi (in genere 1-3 operazioni prima dell'apertura) e il tempo di ripristino (30-90 secondi). Questo coordinamento basato sul conteggio richiede che il richiuditore a monte completi la sua sequenza completa; i sezionatori non possono funzionare con dispositivi a monte non richiudibili.
Impostazioni del guasto di terra
Il pickup separato per i guasti a terra - tipicamente 50-70% del pickup di fase - rileva i guasti sbilanciati, compresi gli eventi ad alta impedenza dovuti a conduttori interrotti. Gli elementi di terra utilizzano ritardi più lunghi rispetto alle impostazioni di fase per evitare il funzionamento su uno squilibrio naturale del sistema. La protezione sensibile contro i guasti a terra può rilevare correnti inferiori a 100 A, anche se a questi livelli il coordinamento con i dispositivi a valle diventa sempre più difficile.
[Approfondimento degli esperti: Migliori pratiche per gli studi di coordinamento].
La traduzione dei principi di coordinamento in ambienti reali richiede un'analisi sistematica. Il seguente flusso di lavoro si applica alla maggior parte delle applicazioni di distribuzione, anche se le filosofie di protezione specifiche dell'azienda possono modificare le singole fasi.
Esempio: Alimentatore di distribuzione aereo a 12,47 kV
| Passo | Azione | Esempio di valore | Motivazione |
|---|---|---|---|
| 1 | Ottenere la massima corrente di guasto dallo studio del cortocircuito | 8,200 A | Determina l'intervallo di funzionamento della curva |
| 2 | Determinare la corrente di carico massima | 280 A | Picco di domanda di alimentazione |
| 3 | Impostare il pick-up di fase a 1,5-2× carico | 560 A | Evita i viaggi di prelievo a freddo |
| 4 | Selezionare la curva veloce | EI, TMS = 0,05 | Azzeramento rapido con correnti di guasto elevate |
| 5 | Selezionare la curva lenta | VI, TMS = 0,25 | Si coordina con i fusibili 65K a valle |
| 6 | Definire la sequenza di richiusura | 1F-2S-Sblocco | Standard per alimentatori aerei |
| 7 | Impostare gli intervalli di richiusura | 2 s / 25 s | Consente la deionizzazione dell'arco |
| 8 | Impostazione del pick-up di guasto a terra | 200 A (~70% di fase) | Rilevamento sensibile del terreno |
| 9 | Tracciare la TCC e verificare i margini | ≥0,3 s CTI | Conferma il coordinamento su tutta la gamma di guasti |
Quando si specificano gli interruttori di sottostazione a monte, è necessario comprendere valori nominali degli interruttori automatici sottovuoto garantisce una selezione adeguata della capacità di interruzione. L'interruttore di sottostazione deve gestire la massima corrente di guasto disponibile coordinandosi con tutti i richiuditori a valle.
Tempo di attesa (tempo di reset) Configurazione
Il parametro del tempo di attesa, spesso indicato come “W” o “tempo di recupero”, determina il tempo in cui il richiuditore deve rimanere chiuso prima che il contatore di sequenza si azzeri. I fusibili standard in lega di stagno richiedono 10-30 secondi per dissipare il calore dopo aver sopportato una corrente di guasto con una capacità di 200%. Se si imposta un tempo di attesa inferiore a questa soglia di raffreddamento, si rischia un danno termico cumulativo dovuto a eventi successivi.
La norma IEEE C37.60-2019 specifica che il tempo di attesa varia da 0,5 a 180 secondi; la maggior parte delle applicazioni di distribuzione richiede 15-45 secondi per un corretto coordinamento dei fusibili.
L'esperienza sul campo di oltre 200 installazioni di richiuditori rivela modelli di errore coerenti. Riconoscere questi errori prima della messa in servizio evita guasti di coordinamento e danni alle apparecchiature.
| Errore | Conseguenza | Prevenzione |
|---|---|---|
| Pickup impostato troppo basso | Intervento in caso di spunto del trasformatore (6-10× nominale), prelievo con carico a freddo | Impostazione del pick-up >1,5× carico massimo; verificare con i calcoli di spunto |
| Curva veloce troppo lenta | Il fusibile si scioglie prima del richiamo, vanificando il piano di risparmio dei fusibili | Tracciare la TCC; confermare che la curva veloce si azzera ≥0,1 s prima della fusione minima. |
| Intervallo di richiusura troppo breve | Arco non deionizzato, riattivazione immediata su guasto temporaneo | Minimo 0,3 s per interruttori a vuoto; 1-2 s per linee aeree |
| Impostazioni di terra ignorate | Guasti ad alta impedenza (conduttore interrotto) non rilevati | Impostazione del rilevamento di terra sensibile con ritardo prolungato |
| Nessuno studio di coordinamento | Errore di funzionamento della protezione, condizioni di gara del dispositivo | Tracciare tutti i dispositivi su TCC unificato prima di dare tensione |
| Tempi di attesa troppo brevi | Danno cumulativo del fusibile dovuto a ripetuti eventi di guasto | Impostare un minimo di ≥15 secondi per il coordinamento dei fusibili. |
Per le applicazioni di distribuzione all'aperto che richiedono una protezione montata su palo con impostazioni configurabili, il modello Interruttore automatico per esterni ZW32 La serie supporta diverse famiglie di curve e configurazioni di sequenze grazie ai controlli a microprocessore integrati.
Le prestazioni della protezione dipendono in ultima analisi dalla qualità dell'hardware. L'integrità dell'interruttore a vuoto determina l'affidabilità dell'interruzione, l'accuratezza dell'elettronica di controllo regola la precisione del pick-up e della temporizzazione, mentre la capacità di comunicazione consente la regolazione delle impostazioni a distanza e il recupero dei dati sui guasti.
I moderni richiuditori si integrano con i sistemi SCADA utilizzando i protocolli DNP3 o IEC 61850, supportando la modifica remota delle curve e la localizzazione automatica dei guasti. Questa connettività elimina le corse dei camion per le regolazioni di routine, fornendo al contempo dati sui guasti in tempo reale per la verifica del coordinamento.
La scelta di apparecchiature di produttori con competenze di ingegneria della protezione garantisce un supporto applicativo dalle specifiche alla messa in servizio. XBRELE fornisce quadri elettrici basati su interruttori in vuoto con impostazioni di protezione configurabili in fabbrica e supporto per l'analisi di coordinamento per le utility e i clienti industriali. Contatta il nostro team di ingegneri per l'assistenza alla candidatura.
Qual è la differenza tra un richiuditore e un interruttore standard?
Un richiuditore verifica automaticamente se i guasti sono stati eliminati richiudendosi dopo l'intervento, mentre gli interruttori automatici standard rimangono aperti fino al ripristino manuale o al comando a distanza. I richiuditori eseguono in genere 2-4 operazioni prima di bloccarsi, il che li rende adatti alle linee aeree dove il 70-90% dei guasti è temporaneo.
Come si determina la corretta impostazione della corrente del pickup?
Impostare il pickup di fase a 1,5-2× la corrente di carico massima prevista per evitare scatti durante il prelievo a freddo o l'avviamento del motore. Per un alimentatore con una richiesta di picco di 300 A, il pickup tra 450-600 A offre un margine adeguato pur mantenendo la sensibilità ai guasti.
Perché un richiuditore dovrebbe bloccarsi su quello che sembra essere un guasto temporaneo?
Tra le cause più comuni vi sono gli intervalli di richiusura troppo brevi per una completa deionizzazione dell'arco, le impostazioni del pickup troppo sensibili per le condizioni di spunto o la persistenza del guasto più lunga del previsto. Esaminare l'entità della corrente di guasto dalle registrazioni degli eventi per determinare se il guasto ha superato le caratteristiche temporanee dell'evento.
Quale margine di coordinamento devo mantenere tra i dispositivi?
La norma IEEE C37.230 raccomanda un intervallo minimo di coordinamento di 0,2-0,3 secondi tra dispositivi di protezione adiacenti. Questo margine tiene conto del tempo di interruzione degli interruttori, delle tolleranze di temporizzazione dei relè e dell'incertezza delle misure. Verificare i margini ai livelli massimi e minimi di corrente di guasto.
È possibile modificare le impostazioni del richiuditore senza accedere fisicamente all'unità?
Sì, i moderni richiuditori a microprocessore supportano la modifica delle impostazioni in remoto tramite SCADA o protocolli di comunicazione dedicati. La funzionalità remota richiede adeguate misure di cybersecurity e procedure di gestione delle modifiche per evitare modifiche non autorizzate.
Come influisce l'altitudine sulle impostazioni del richiuditore?
L'altitudine superiore a 1.000 metri riduce la densità dell'aria e la rigidità dielettrica, richiedendo potenzialmente un declassamento della capacità di interruzione. Le impostazioni rimangono invariate, ma la capacità fisica del recloser di interrompere la corrente di guasto diminuisce di circa 1% per 100 metri al di sopra dei 1.000 metri, secondo la norma IEEE C37.60.
Quando è opportuno utilizzare il coordinamento salvafusibili rispetto a quello salvafusibili?
Il risparmio di fusibili riduce i costi di manutenzione preservando i fusibili durante i guasti temporanei, ma causa interruzioni momentanee sull'intero alimentatore. L'eliminazione dei fusibili limita le interruzioni alla linea laterale guasta, ma aumenta la frequenza di sostituzione dei fusibili. La scelta dipende dalle priorità di qualità dell'energia elettrica dell'azienda e dalla sensibilità del cliente agli eventi momentanei.
