Tecniche di selettività

Le diverse tecniche di selettività, anche dal punto di visto operativo

Si parla di selettività con dispositivi automatici di protezione quando un guasto è eliminato dal dispositivo di protezione installato immediatamente a monte del guasto stesso, mentre tutti gli altri non intervengono, in quanto non “coinvolti” dal guasto.

In base ai range di corrente ed alle curve di intervento degli interruttori, è possibile distinguere due zone:

In < I < 8÷10 x In

Zona del sovraccarico

è la zona in cui sono solitamente chiamate ad intervenire la protezione termica per gli sganciatori termomagnetici e la protezione L per gli sganciatori elettronici.

I ≥ 8÷10 x In

Zona del corto-circuito

è la zona in cui sono solitamente chiamate ad intervenire la protezione magnetica per gli sganciatori termomagnetici, oppure le protezioni S, D ed I per gli sganciatori di tipo elet-tronico.

Tecniche di selettività diverse sono associate a queste due zone.

Selettività tempo-corrente

Selettività amperometrica

Selettività cronometrica

Selettività energetica

Selettività di zona

Selettività tempo-corrente

Introduzione

Operativamente

Generalmente le protezioni contro il sovraccarico, siano esse realizzate mediante un relè termico o mediante la funzione L di un relè elettronico, hanno una caratteristica a tempo dipendente.
Per caratteristica a tempo dipendente si intende una caratteristica di intervento nella quale, all’aumentare della corrente, si riduce il tempo di intervento dell’interruttore.
Avendo protezioni con caratteristiche di questo tipo la tecnica di selettività che si impiega è la selettività tempo-corrente.
La selettività tempo-corrente realizza la selettività d’intervento regolando le protezioni in modo che la protezione a valle, per ogni possibile valore di sovracorrente, intervenga più rapidamente dell’interruttore a monte.
Quando si analizzano i tempi di intervento dei due interruttori è necessario considerare:
- le tolleranze sulle soglie e sui tempi di intervento
- le effettive correnti che circolano negli interruttori.

Per quanto riguarda le tolleranze, ABB SACE mette a disposizione nei cataloghi tecnici e nel software DOC le curve di intervento dei suoi sganciatori. In particolare, nel modulo curve del software DOC, le curve degli sganciatori sia elettronici sia termomagnetici sono comprensive delle tolleranze. L’intervento di uno sganciatore è quindi rappresentato da due curve, una che riporta tempi di intervento più elevati (superiore), l’altra che riporta tempi di intervento più rapidi (curva inferiore).

Per una corretta analisi di selettività è necessario considerare le condizioni peggiori, ovvero:

l’interruttore a monte interviene secondo la propria curva inferiore;
l’interruttore a valle interviene secondo la propria curva superiore.

Per quanto riguarda le effettive correnti che circolano negli interruttori:

se i due interruttori sono attraversati dalla stessa corrente, è sufficiente che non vi sia sovrapposizione fra la curva dell’interruttore a monte e la curva dell’interruttore a valle;
se i due interruttori sono attraversati da correnti diverse, è necessario scegliere una serie di punti significativi delle curve tempo corrente per verificare che i tempi di intervento della protezione a monte siano sempre superiori ai tempi corrispondenti della protezione a valle.

In particolare, nel caso di interruttori equipaggiati con sganciatori elettronici, poiché l’andamento delle curve è a I²t=cost, per effettuare correttamente la verifica è sufficiente prendere in esame due valori di corrente:

1,05 x I1^*dell’interruttore a monte
(valore al di sotto del quale la protezione a monte non interviene mai)
1,20XI3 (o I2)^** dell’interruttore a valle

(valore al di sopra del quale la protezione a valle interviene sicuramente con le protezioni da cortocircuito).

1,05 x I1^* dell’interruttore a monte

Ipotizzando I_A =1,05xI1, con riferimento a quanto detto sulle effettive correnti che circolano negli interruttori, si ricava la corrente I_B a valle.

Dalle curve tempo-corrente si ricavano i tempi di intervento dei due dispositivi.

Se per entrambi i punti considerati risulta che:

t_A > t_B

allora la selettività è garantita nella zona del sovraccarico.

Nelle figure a lato si è ipotizzato un drenaggio di corrente da parte di altri carichi.

1,20XI3 (or I2) dell’interruttore a valle

Ipotizzando I_B = 1,20XI3 (o I2), analogamente a prima si ricava la corrente I_A a monte e, dalle curve tempo-corrente, si ricavano i tempi di intervento dei due dispositivi.

* 1,05 è il valore di sicuro non intervento minimo dettato dalla norma (CEI EN60947-2). Per alcune tipologie di interruttori tale valore potrebbe variare (vedere il catalogo tecnico per ulteriori informazioni).

** 1,2 è il valore di sicuro intervento Massimo per la protezione da cortocircuito dettato dalla norma (CEI EN60947-2). Per alcune tipologie di interruttori tale valore potrebbe essere inferiore (vedere il catalogo tecnico per ulteriori informazioni).

Selettività amperometrica

Introduzione

Operativamente

Questo tipo di selettività si basa sull’osservazione che quanto più il punto del guasto è vicino all’alimentazione dell’impianto, tanto maggiore è la corrente di cortocircuito. È perciò possibile discriminare la zona in cui è avvenuto il guasto tarando le protezioni istantanee a diversi valori di corrente.

Normalmente si riesce ad ottenere selettività totale solo in casi specifici dove la corrente di guasto non è elevata e dove esiste un componente ad alta impedenza interposta tra le due protezioni (trasformatore, cavo molto lungo o cavo con sezione ridotta, ecc.) e quindi una grossa differenza tra i valori della corrente di corto circuito.

Questo tipo di coordinamento viene quindi utilizzato soprattutto nella distribuzione terminale (bassi valori di corrente nominale e di corrente di cortocircuito, alta impedenza dei cavi di collegamento). Per lo studio vengono in genere utilizzate le curve di intervento tempo-corrente dei dispositivi.

La selettività amperometrica è intrinsecamente veloce (istantanea), facile da realizzare ed economica.

Per contro:

–la corrente limite di selettività è normalmente bassa e quindi la selettività spesso risulta solo parziale;
–il livello di impostazione delle protezioni contro le sovracorrenti si innalza rapidamente;
–non è possibile avere una ridondanza delle protezioni che garantisca l’eliminazione del guasto (in tempi rapidi) in caso di mancato funzionamento di una di esse.

È un tipo di selettività che si può realizzare anche tra interruttori di pari taglia e senza protezione dal corto circuito ritardata (S).

La protezione da cortocircuito dell’interruttore a monte A sarà impostata ad un valore tale da non intervenire per i guasti che si verificano a valle della protezione B.
(nell’esempio in figura I3_minA > 1kA)
La protezione dell’interruttore a valle B sarà impostata in modo da intervenire per i guasti che avvengono a valle della stessa.

(nell’esempio in figura I3_MaxB < 1kA)

Ovviamente, per l’impostazione delle protezioni, si deve tener conto delle effettive correnti che circolano negli interruttori.

Il valore limite di selettività che si può ottenere è pari alla soglia di intervento istantaneo della protezione a monte meno l’eventuale tolleranza.

Is = I3_minA

Nota

Questo limite di selettività, legato alla soglia magnetica dell’interruttore a monte, risulta superato in tutti i casi in cui sia realizzata la selettività di tipo energetico.

Per le combinazioni di interruttori aventi un valore di selettività energetica riportato sulle tabelle di coordinamento pubblicate da ABB, se vengono rispettate le impostazioni indicate per la selettività energetica, il limite di selettività da considerare è quello riportato nelle tabelle e non quello ottenibile dalla formula sopra riportata.

Selettività cronometrica

Introduzione

Operativamente

Questo tipo di selettività è un evoluzione della precedente.

In questo tipo di coordinamento, oltre alla soglia di intervento in termini di corrente, viene definito anche un tempo di intervento: un dato valore di corrente provocherà l’intervento delle protezioni dopo un intervallo di tempo definito, tale da permettere ad eventuali protezioni poste più vicino al guasto di intervenire, escludendo l’area sede del guasto.

La strategia di settaggio è dunque quella di aumentare progressivamente le soglie di corrente ed i ritardi all’intervento man mano che ci si avvicina alle sorgenti di alimentazione (livello di impostazione correlato direttamente al livello gerarchico).

Le soglie di intervento ritardate dovranno tenere conto delle tolleranze dei due dispositivi di protezione e delle effettive correnti che vi circolano.

La differenza tra i ritardi impostati per le protezioni in serie dovrà tenere conto dei tempi di rilevazione ed eliminazione del guasto del dispositivo a valle e del tempo di inerzia (over-shoot) del dispositivo a monte (intervallo di tempo durante il quale si può avere l’intervento della protezione anche a fenomeno esaurito).

Come nel caso della selettività amperometrica, lo studio viene effettuato confrontando le curve di intervento tempo-corrente dei dispositivi di protezione.

In generale, questo tipo di coordinamento:

è facile da studiare e da realizzare;
è poco costoso per quanto riguarda il sistema di protezione;
permette di ottenere anche valori elevati del limite di selettività (se l’Icw è elevata);
consente una ridondanza delle funzioni di protezione.

Per contro:

i tempi di intervento ed i livelli di energia lasciati passare dalle protezioni, soprattutto da quelle prossime alle sorgenti, sono elevati.

E’ un tipo di selettività che si può realizzare anche tra interruttori di pari taglia, equipaggiati con sganciatori elettronici con protezione da cortocircuito ritardata.

Le protezioni da cortocircuito sui due interruttori saranno impostate:

con le soglie di intervento da cortocircuito ritardato I2 impostate in modo da non creare sovrapposizione di intervento, considerando le tolleranze e le effettive correnti che circolano negli interruttori;
con i tempi di intervento t2 impostati in modo che l’interruttore a valle B estingua il guasto, mentre l’interruttore a monte A, ancora in fase di temporizzazione, riesca a “vedere” l’estinzione della corrente e quindi resti chiuso.

Il valore limite di selettività che si ottiene è pari:

alla soglia di intervento istantaneo della protezione a monte, se questa funzione è abilitata, meno l’eventuale tolleranza:
Is = I3_minA
al valore di Icw per interruttori a monte di tipo aperto quando la funzione di protezione istantanea è settata in OFF.

Nota

Questi limiti di selettività risultano superati in tutti i casi in cui si realizza la selettività di tipo energetico. Per le combinazioni di interruttori aventi un valore di selettività energetica riportato sulle tabelle di coordinamento pubblicate da ABB, se vengono rispettate le impostazioni indicate per la selettività energetica, il limite di selettività da considerare è quello riportato nelle tabelle e non quello ottenibile dalle considerazioni di questo paragrafo.

Selettività energetica

Introduzione

Operativamente

Il coordinamento di tipo energetico è un particolare tipo di selettività che sfrutta le caratteristiche di limitazione degli interruttori scatolati. Si ricorda che un interruttore limitatore è “un interruttore automatico con un tempo di interruzione sufficientemente breve per impedire che la corrente di cortocircuito raggiunga il valore di picco che altrimenti raggiungerebbe”(CEI EN 60947-2).

In pratica, tutti gli interruttori scatolati ABB SACE della serie Tmax, gli interruttori modulari e gli interruttori aperti limitatori E2L E3L hanno caratteristiche di limitazione più o meno spiccate. In condizioni di corto circuito, questi interruttori sono estremamente veloci (tempi di intervento dell’ordine di qualche millisecondo) e aprono in presenza di una forte componente asimmetrica; non risulta quindi possibile utilizzare per lo studio del coordinamento le curve di intervento tempo-corrente degli interruttori, ricavate con forme d’onda di tipo simmetrico sinusoidale.

Tali fenomeni sono prevalentemente dinamici (quindi proporzionali al quadrato del valore istantaneo della corrente) e sono fortemente dipendenti dall’interazione tra i due apparecchi in serie. Quindi i valori di selettività energetica non possono essere determinati dall’utente finale.

I costruttori mettono a disposizione tabelle, regoli e programmi di calcolo nei quali vengono forniti i valori della corrente limite di selettività Is sotto cortocircuito per diverse combinazioni di interruttori. Questi valori vengono definiti integrando per via teorica i risultati di prove effettuate in conformità a quanto indicato nell’Allegato A della Norma CEI EN 60947-2.

Le protezioni da cortocircuito dei due interruttori dovranno rispettare le condizioni di seguito riportate:

Sganciatore a monte di tipo termo-magnetico

le soglie di intervento magnetico devono essere tali da non creare sovrapposizione di intervento, considerando le tolleranze e le effettive correnti che circolano negli interruttori;

la soglia magnetica dell’interruttore a monte deve essere maggiore o uguale a 10xIn impostata al valore massimo se regolabile.

Sganciatore a monte di tipo elettronico

le eventuali protezioni da cortocircuito ritardato S devono essere impostate seguendo le stesse indicazioni della selettività cronometrica;

la funzione di protezione istantanea I degli interruttori a monte deve essere impostata in OFF

I3=OFF

Il valore limite di selettività Is che si ottiene è quello riportato nelle tabelle che ABB SACE mette a disposizione dei suoi clienti.

Selettività di zona

Introduzione

Operativamente

Questo tipo di coordinamento è un’evoluzione del coordinamento cronometrico.

In generale la selettività di zona viene realizzata attraverso il dialogo tra gli sganciatori elettronici che, una volta rilevato il superamento della soglia di impostazione, permettono di identificare correttamente il guasto e di togliere alimentazione alla sola zona interessata.

Può essere realizzata in due modi:

i dispositivi di misura inviano ad un sistema di supervisione le informazioni legate al superamento della soglia di regolazione della corrente e quest’ultimo identifica quale protezione deve intervenire;
in presenza di valori di corrente superiori alla propria impostazione, ogni protezione - attraverso un collegamento diretto o un bus - invia un segnale di blocco alla protezione gerarchicamente superiore (a monte rispetto alla direzione del flusso di potenza) e, prima di intervenire, verifica che un analogo segnale di blocco non sia giunto dalla protezione a valle; in questo modo, solo la protezione immediatamente a monte del guasto interviene.

Il secondo caso permette tempi di intervento sicuramente inferiori; rispetto ad un coordinamento di tipo cronometrico viene a cadere la necessità di aumentare il ritardo intenzionale man mano che ci si sposta verso la sorgente di alimentazione. Il ritardo può essere ridotto al tempo necessario per escludere la presenza di un eventuale segnale di blocco proveniente dalla protezione a valle.

È un tipo di selettività adatto alle reti radiali, se associata alla protezione direzionale, anche alle reti magliate.

Rispetto ad un coordinamento di tipo cronometrico, la selettività di zona permette di:

ridurre i tempi di intervento (questi possono essere inferiori a centinaia di millisecondi);
ridurre sia i danni causati dal gusto che le perturbazioni al sistema di alimentazione;
ridurre le sollecitazioni termiche e dinamiche sui componenti dell’impianto;
avere un numero elevato di livelli di selettività.

Per contro:

risulta più onerosa sia in termini di costo, sia in termini di complessità dell’impianto;
richiede un’alimentazione ausiliaria.

Questa soluzione viene perciò utilizzata prevalentemente in sistemi con alti valori di corrente nominale e di corto circuito, con esigenze non derogabili sia in termini di sicurezza sia di continuità di servizio. In particolare, si trovano spesso esempi di selettività logica nei quadri di distribuzione primaria, immediatamente a valle di trasformatori e generatori.

E’ un tipo di selettività che può essere realizzata:

tra interruttori aperti Emax 2 con sganciatori Ekip Touch ed Ekip Hi-Touch.
Il valore limite di selettività che si può ottenere è pari alla Icw:
Is = Icw
tra interruttori scatolati Tmax T4L,T5L and T6L con sganciatori PR223 EF.
Il valore limite di selettività che si può ottenere è 100kA:
Is = 100kA

Tramite il contatto programmabile S51/P1 è poi possibile realizzare una catena di selettività di zona tra Tmax ed Emax 2. É anche possibile realizzare una catena di selettività che includa le protezioni ABB di media tensione.

Il principio di funzionamento della selettività di zona tra interruttori ABB è il seguente:

in presenza di valori di corrente superiori alla propria impostazione, ogni protezione invia - attraverso un collegamento diretto o un bus - un segnale di blocco alla protezione gerarchicamente superiore (a monte rispetto alla direzione del flusso di potenza) e, prima di intervenire, verifica che un analogo segnale di blocco non sia giunto dalla protezione a valle; in questo modo solo la protezione immediatamente a monte del guasto interviene.