ITMI20010828A1 - Circuito di protezione con filo sensore per cavi ad alta tensione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

della

INVENZIONE INDUSTRIALE

dal Titolo:

"CIRCUITO DI PROTEZIONE CON FILO SENSORE PER CAVI AD ALTA TENSIONE'

Come cavi coassiali per alta tensione vengono sempre più spesso utilizzati cavi VPE e/o cavi HV XLPE (cavi isolati con politene o polietilene).

Danneggiamenti dei cavi nella zona della guaina comportano, in particolare in caso di penetrazione d'acqua, dei "water trees" che, data l'alta intensità del campo elettrico nei cavi, provocano una riduzione della rigidità dielettrica e quindi una durata minore.

Per individuare ed eliminare per tempo i pericoli legati alla mancanza di tenuta della guaina del cavo, prima che si verifichi un danno importante, sono utilizzati procedimenti per rilevare l'infiltrazione di acqua che impiegano un filo sensore nella zona dell'armatura metallica della guaina del cavo.

Allo stato asciutto il filo sensore è completamente isolato dall'armatura metallica che costituisce la schermatura del cavo. Con isolamenti tessili o altri isolamenti permeabili o forati del filo sensore, in caso di inumidimenti dovuti a infiltrazioni d'acqua, si produce una bassa resistenza di isolamento verso la schermatura messa a terra della guaina del cavo.

I metodi di localizzazione dei guasti sfruttano l'effetto del filo sensore inumidito per rilevare la presenza di acqua e per calcolare il punto in cui si verifica il guasto in base ai dati di misura del filo sensore. Misurando l'isolamento del filo sensore verso la schermatura del cavo messa a terra e/o direttamente verso terra, è possibile riconoscere immediatamente l'inumidimento del filo sensore.

Se il filo sensore inserito in un cavo è accessibile da entrambi i capi del cavo, e/o la fine del sensore è ricondotta all'inizio attraverso un conduttore, nel caso di un guasto con alimentazione bilaterale è possibile, mediante la ripartizione della tensione o della corrente nel filo sensore, individuare in linea di principio anche il punto del guasto.

Nei sistemi di cavi polifase come da figura 1, mediante connessione, ai capi del cavo, dei fili sensori A ai ponti B, è sempre possibile un'alimentazione da entrambi i lati con collegamenti ad anello attraverso un'unità di accoppiamento C con relativa alimentazione di tensione o corrente e prelievo del segnale di misura, così da realizzare, mediante una linea di alimentazione D, un sistema di controllo della guaina con filo sensore di cavi ad alta tensione VPE. Poiché si tratta di cavi ad alta tensione, occorre non compromettere né la tecnica di misura né il cavo ad alta tensione stesso a causa di tensioni e correnti indotte nel filo sensore.

L'invenzione si propone di proteggere un sistema di cavi ad alta tensione mediante un circuito che, da una parte, protegga il sistema di cavi e quello di misura da pericolose sovratensioni o correnti di corto circuito e, dall'altra, non comprometta la funzione di misura.

Una compromissione della funzione di misura potrebbe ad esempio verificarsi quando, a causa del circuito di protezione, la resistenza di isolamento del filo sensore verso terra, allo stato asciutto, presenta già un valore tanto basso che il verificarsi di una dispersione a terra non verrebbe più riconosciuto o verrebbe riconosciuto molto tardi soltanto al verificarsi di una resistenza di isolamento estremamente bassa.

Il circuito di protezione con filo sensore per cavi ad alta tensione, descritto qui di seguito con riferimento alle figure 2 e 3, è realizzato in modo tale che, con carico di corrente nominale massimo ammissibile del sistema di cavi, si verificano tensioni massime ammissibili nel filo sensore non protetto che non costituiscono un pericolo per il cavo. Il circuito di protezione deve funzionare in modo tale che, in condizioni di funzionamento di corrente nominale normale del sistema di cavi, i fili sensori, da isolare con alta resistenza di isolamento verso terra, siano collegati con il sistema di misura continuamente in funzione.

In caso di disturbi del sistema di cavi, ad esempio dovuti a transitori indotti per commutazione, correnti di corto circuito oppure folgorazioni, anche nei fili sensori possono comparire tensioni elevate, cosa che deve essere evitata attraverso un rapido intervento del circuito di protezione.

I disturbi da sovratensione nel sistema di cavi, che devono essere eliminati, considerati in questa sede sono di due categorie:

a) disturbi transitori ad alta frequenza, compresi nell'ambito dei ns e ps

b) sovratensioni a bassa frequenza, comprese nell'ambito dei ms-s.

I disturbi transitori ad alta frequenza vengono eliminati mediante diodi a semiconduttore speciali, molto rapidi, bidirezionali, come ad esempio i transil 2 oppure i trisil 1, che, come i diodi zener, assumono una bassa impedenza a partire da una determinata tensione di innesco. Questi disturbi sono tanto brevi da non essere registrati dal sistema di misura che filtra i segnali di misura.

In caso di disturbi da sovratensioni a bassa frequenza e di maggiore durata, i fili sensori vengono messi a terra, mediante il circuito di protezione, sia all'inizio che alla fine del cavo per proteggere il cavo ed il sistema di misura.

II filo sensore messo a terra all'inizio ed alla fine del cavo si comporta in questo caso esattamente come i fili di schermatura dei cavi per alta tensione VPE che sono permanentemente messi a terra all'inizio ed alla fine del cavo (punti ∀).

Se invece il cavo viene considerato come un trasformatore, in cui il conduttore interno che conduce la corrente di carico costituisce l'avvolgimento primario ed i fili di schermatura collegati in parallelo formano l'avvolgimento secondario, essendo l'avvolgimento secondario cortocircuitato con messa a terra su entrambi i lati, la tensione ai suoi capi diventa zero ma esso viene comunque percorso da una corrente che può essere di alcune centinaia di Ampere. Anche il filo sensore, considerato come trasformatore, si comporta allo stesso modo.

In condizioni di funzionamento con corrente nominale, al filo sensore isolato risulta applicata una tensione tollerabile che tuttavia, in occasione di corto circuiti del cavo può aumentare, prima dell'intervento dell'interruttore, fino a cento volte (ad esempio da 80 V a 8000 V).

A causa della resistenza di isolamento insufficiente del filo sensore verso i fili di schermatura messi a terra, l'isolamento non può reggere con tensioni così elevate ed il filo sensore può danneggiarsi in modo irreversibile. Inoltre un sistema di misura che fosse collegato sarebbe anch'esso a rischio, in quanto i divisori di tensione passabasso, composti da resistenze e condensatori, collegati con il circuito di transito del sistema di misura di figura 1 , non sono adatti a sovratensioni di durata prolungata. In caso di superamento della tensione nominale ammissibile predeterminata, il compito del circuito di protezione con filo sensore descritto consiste quindi nel mettere a terra il filo sensore all'inizio ed alla fine del cavo con una impedenza estremamente bassa e nel sopportare eventuali correnti alternate di circa 100-200 A fino al momento del disinserimento rapido del cavo.

La messa in cortocircuito a bassa impedenza verso terra del filo sensore deve inoltre avvenire tanto rapidamente da essere compatibile col circuito aggiuntivo di protezione dai transitori, cioè la messa a terra del filo sensore deve essere completata prima che la protezione da transitori degli elementi 1 e 2, che interviene immediatamente, venga sovraccaricata termicamente e distrutta.

Il compito non può essere risolto con relè tradizionali, in quanto questi non commutano con sufficiente rapidità. Non è possibile risolvere il compito nemmeno con i relè a semiconduttore, tiristori o triac tradizionali con interruttore a tensione zero, in quanto i relè a semiconduttore utilizzano cosiddetti interruttori a tensione zero per la soppressione di disturbi d'inserzione, i quali interruttori commutano soltanto al passaggio per lo zero della tensione alternata, in assenza di corrente, il che significa ad esempio, per reti a tensione alternata di 50 Hz, che si commuta ogni 10 ms all'inizio di nuova semionda, soluzione questa troppo lenta, in quanto un corto circuito verificantesi nel mezzo di una semionda può al successivo passaggio per lo zero della semionda aver già causato la distruzione del cavo e del sistema di misura.

Il circuito descritto qui di seguito con riferimento alle figure 2 e 3, è in grado, con un particolare circuito di accensione, anche in associazione con un sistema di corrente trifase di un sistema trifase di cavi con sensore, di mettere a terra simultaneamente, dopo circa 300 ps dalla comparsa di un guasto in una delle fasi, attraverso interruttori tiristori 15, all'inizio ed alla fine del cavo, tutti i conduttori sensori del sistema di cavi soltanto per la durata del cortocircuito, cioè è in grado, al termine del cortocircuito, di riattivare automaticamente i conduttori sensori per la misurazione senza particolari operazioni di ripristino.

I transitori di durata fino a 300 ps vengono ridotti, attraverso gli scaricatori 1 e 2, ad un livello di esercizio di 100 V e le sovratensioni di durata maggiore di 300 ps, attraverso un circuito di controllo del livello di trigger, attivano simultaneamente tutti gli interruttori a tiristore 15.

Poiché l'inizio e la fine del cavo sono lontani tra loro e non sono collegati ad alcuna linea di controllo, si utilizzano circuiti di protezione indipendenti, come da figura 2, all'inizio del cavo e, come da figura 3, alla fine del cavo, che comunque intervengono quasi simultaneamente.

II circuito di protezione con filo sensore può essere realizzato, a seconda del numero delle fasi, in modo semplice, doppio oppure triplo. Nel presente esempio di cablaggio del filo sensore secondo la figura 1 , all'inizio del cavo, è stato utilizzato un circuito di protezione triplo secondo la figura 2 e, alla fine del cavo, è stato utilizzato un circuito di protezione semplice secondo la figura 3, in quanto tutti e tre i conduttori sensori sono collegati fra loro.

Nei metodi di misura con circuito resistivo anche alla fine del cavo (vedi DE 15927 972.7 e DE 19544391.8), è eventualmente necessario, a motivo dell'alto valore delle resistenze, un circuito di protezione trifase anche alla fine del cavo.

Funzionamento del controllo del livello di trigger.

Nel funzionamento normale non attivo, il circuito di protezione presenta una condizione di aita impedenza dell'ordine di alcuni ΜΩ, cioè gli elementi, che nelle figure 2 e 3 sono collegati con LS1 - LS3, si mantengono in stato aperto, non conduttivo, non fanno da carico al conduttore sensore e quindi il circuito di protezione è attivabile secondo i procedimenti noti di localizzazione dei guasti nella guaina con filo sensore di cavi per alta tensione.

La tensione d'esercizio massima ammissibile di un filo sensore Ls, nel sistema di cavo trifase LS1-LS3, viene controllata attraverso la tensione di innesco prescelta dei diodi transil 1, che sono collegati a terra in serie con il circuito a ponte 3. I diodi trisil ed il circuito a ponte sono bidirezionali, e quindi si comportano in modo identico per entrambe le semionde della tensione alternata. I ponti raddrizzatori 3 si comportano come cortocircuiti per transitori rapidi, in quanto il loro comune condensatore di carica 4 per tempi rapidi di aumento della tensione ad esso applicata mette in cortocircuito l'uscita a tensione continua dei ponti 3.

Se uno o più diodi transil 1 sono entrati in conduzione, questo/i passa/passano in condizione di bassa impedenza, comportandosi come un interruttore chiuso. In questo modo passa corrente attraverso i ponti 3 verso terra limitando direttamente in un primo tempo la tensione alternata del filo sensore.

La tensione massima è definita dal diodo trisil utilizzato e dalla resistenza interna del circuito a ponte e non dovrebbe superare di molto la tensione di innesco del diodo trisil. Poiché, al passaggio di corrente attraverso i diodi trisil 1, e quindi nei circuiti raddrizzatori a ponte 3, il condensatore di carica 4 viene caricato con corrente continua, l'impedenza dei circuiti a ponte aumenta con l'aumentare della tensione U nel condensatore di carica, cioè anche la tensione agli ingressi a tensione alternata dei ponti aumenta.

Per evitare che la tensione alternata nei ponti raddrizzatori salga illimitatamente, gli ingressi a tensione alternata sono collegati con ponticello di diodi transil 2 aventi funzione di diodo zener bidirezionale, in modo tale che la tensione di cresta delle semionde della tensione alternata nei ponti raddrizzatori non può salire oltre il valore ammesso dalla tensione di innesco dei diodi transil selezionati.

Con questo provvedimento, la tensione nei circuiti raddrizzatori è limitata ad un valore di tensione predeterminato di 68 V, ad esempio utilizzando diodi di protezione 1.5KE68CA.

I diodi transil fungono da shunt di corrente nei ponti raddrizzatori 3, cioè correnti transitori ed altre correnti da sovratensioni vengono scaricate a terra mediante i diodi di protezione 2, laddove la caduta di tensione nel diodo transil 2 serve per alimentare i ponti raddrizzatori.

Quando i diodi trisil 1 si sono innescati (ad esempio in corrispondenza di una tensione di 100 V), ciò significa che i ponti, subito dopo la carica del condensatore 4, vengono fatti funzionare ad una tensione massima e costante di ad esempio 68 V.

Poiché la tensione sul ponte è limitata, anche la tensione continua sul condensatore di carica 4 risulta limitata ad un valore più piccolo di circa 1,5 V.

Se nei fili sensori si verificano soltanto dei disturbi transitori brevi, non permanenti, dopo il transitorio il condensatore viene scaricato attraverso la resistenza 5. Ciò è necessario per evitare che la tensione nel condensatore di carica aumenti continuamente mano a mano che si verificano singoli transitori.

Con sovratensioni applicate per più di 100 ps, la tensione di carica nel condensatore di carica 4 viene utilizzata per provocare l'accensione degli interruttori tiristori 15. La tensione applicata al condensatore di carica 4 viene applicata, attraverso una resistenza di limitazione della corrente 6 ed un diodo trigger diac 7, all'elettrodo di accensione di un tiristore di comando 8 che, in serie con gli ingressi di comando di tutti i tiristori di potenza 15, determina l'attivazione simultanea degli stessi.

II diodo trigger diac 7 viene previsto affinchè con l'aumentare della tensione di carica al condensatore 4, il tiristore 8 diventi conducente non immediatamente ma soltanto quando la tensione di carica raggiunge un valore sufficiente per comandare anche tutti i tiristori di potenza 15.

Quando si supera la tensione di accensione del diodo trigger diac 7, questo passa ad una condizione di bassa impedenza applicando in questo modo la tensione di esercizio del condensatore di carica 4, attraverso la resistenza 6 di limitazione della corrente, all'elettrodo di accensione del tiristore 8, così da renderlo conduttivo applicando così anche al circuito serie a corrente continua associato ai tiristori di potenza 15, attraverso la resistenza addizionale 11, la tensione di esercizio U del condensatore di carica 4.

Attivando il tiristore di comando 8, tutti i tiristori di potenza 15 passano istantaneamente ad una condizione di bassa impedenza entrando in conduzione e ponendo i fili sensori LS1 a LS3 ad un potenziale di terra.

Con il collegamento in serie degli ingressi di comando degli interruttori tiristori di potenza 15 si garantisce che tutti gli interruttori tiristori scattino simultaneamente e che sia necessario fornire 1 sola volta anziché 3 volte una corrente di comando relativamente grande agli accoppiatori opto-elettronici a bassa impedenza, il che costituisce un altro fattore importante per l'elettronica di comando che funziona senza energia ausiliare.

La tensione di comando più alta richiesta dal collegamento in serie degli accoppiatori opto-elettronici non costituisce un problema in quanto la tensione di carica del condensatore 4 è sufficientemente elevata a tale scopo.

Perché la tensione di comando applicata agli ingressi degli interruttori tiristori 15, a seguito del collegamento in serie si distribuisca uniformemente, cioè perché sia garantita la stessa tensione a tutti gli ingressi degli interruttori tiristori, anche in caso di resistenze d'ingresso eventualmente diseguali, gli ingressi di comando degli interruttori tiristori 15 sono collegati con diodi zener 12, 13, 14 di pari caratteristiche, atti a mantenere (in associazione alla resistenza addizionale 11) costanti le singole tensioni di comando degli interruttori tiristori garantendo così un'attivazione simultanea degli interruttori tiristori di potenza, per cui i fili sensori vengono immediatamente collegati a terra.

Cortocircuitando i fili sensori verso terra si cortocircuita anche una eventuale tensione pericolosa di valore elevato del filo sensore, in modo da attivare nuovamente, con i suddetti elementi 1 e 2, anche la prima protezione dai transitori che era già entrata immediatamente in azione.

L'inizio e la fine del cavo sono collegati con circuiti di protezione distinti.

I circuiti di protezione controllano un aumento della tensione rispetto al potenziale di terra. Se ad esempio il circuito di protezione alla fine del cavo (Fig.3) interviene per primo, allora il sistema trasformatorico costituito dal filo sensore viene collegato a terra alla fine del cavo, per cui la tensione all'inizio del cavo aumenta rispetto terra e quindi fa scattare istantaneamente anche il circuito di protezione all'inizio del cavo; in tal modo è sempre garantito che i circuiti di protezione, all'inizio ed alla fine dei cavi, scattino praticamente in contemporanea.

Attivando i circuiti di protezione all'inizio ed alla fine dei cavi, le tensioni nei fili sensori vengono circuitati, e al contempo si riduce la tensione di comando dei circuiti di protezione.

Poiché gli interruttori tiristori bidirezionali 15 necessitano per la loro attivazione solo di un impulso di trigger che viene emesso attraverso il tiristore di comando 8, dopo la loro attivazione restano conduttivi per l'intera semionda di corrente alternata applicata e, nel passaggio per lo zero della tensione alternata, ritornano in stato bloccato. Alla successiva semionda, per mezzo dell'elettronica di accensione del circuito di protezione, se viene nuovamente superata la tensione d'esercizio ammissibile, si ha una nuova accensione a motivo della tensione crescente nei fili sensori ora disinseriti.

Il circuito di protezione fa quindi sì che, ad ogni semionda di tensione alternata avvenga un nuovo suo intervento fino a quando in nessuna fase non si registrano più sovratensioni. In questo modo è garantito che il circuito di protezione resti attivato soltanto fintanto che sono presenti transitori o sovratensioni dovuti a correnti di corto circuito, e che il sistema di cavi possa essere collegato permanentemente al sistema di misura, cosicché, grazie ad una azione di filtro dei segnali di misura, i disturbi brevi non vengono praticamente notati.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito di protezione con filo sensore per cavi ad alta tensione, caratterizzato dal fatto che il conduttore sensore (Ls), all'inizio e/o alla fine del cavo, è collegato con un interruttore di corto circuito (12-15) che interviene senza ritardi e costituisce una protezione compietamente elettronica sia per il cavo, nei confronti del pericolo di perforazioni dell'isolamento del conduttore sensore inserito, sia per il sistema di misura del filo conduttore collegato, nei confronti del pericolo di sovratensioni risultanti da brevi picchi transitori di tensione oppure da sovratensioni di maggiore durata, dovute a correnti di corto circuito del sistema di cavi.
2. 2. Circuito di protezione con filo sensore secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che l'interruttore di corto circuito (12-15) è configurato in modo tale che il filo sensore con alta resistenza di isolamento viene cortocircuitato a terra, con bassa impedenza verso terra, soltanto in caso di guasto e per la durata dei disturbi provocati dalla sovratensione, e non necessita di alcun particolare ripristino.
3. 3. Circuito di protezione con filo sensore secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato da un circuito di accensione elettronico attivo, che, attraverso accoppiatori optoelettronici, preleva l'intera energia di comando necessaria dalla tensione alternata di disturbo del filo sensore e/o dei fili sensori (Ls) e non necessita di una tensione continua di alimentazione separata dell'elettronica di comando.
4. 4. Circuito di protezione con filo sensore secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che, all'inizio e alla fine del cavo sono rispettivamente inseriti circuiti di protezione separati, interagenti, senza linee di comando separate, per un'attivazione quasi simultanea, in modo tale che il filo sensore, all'inizio ed alla fine del cavo, viene cortocircuitato a terra e, in caso di sovratensione, si comporta come i fili di schermatura del cavo, anch'essi messi a terra all'inizio ed alla fine del cavo.
5. 5. Circuito di protezione con filo sensore secondo una delle rivendicazioni 1-4, caratterizzato dal fatto che un circuito di protezione (1-5) nei confronti di rapidi disturbi transitori, di durata compresa nell'ambito di alcuni ns e μs, è accoppiato con un circuito di protezione di potenza (6-15) contro sovratensioni di maggiore durata, compresa nel'ambito di alcuni ms e s, al fine di una protezione graduale, affinché, in caso di correnti di corto circuito del sistema di cavi, il circuito di protezione nei confronti di rapidi transitori sia protetto da carichi termici permanenti fino al disinserimento rapido dalla centrale elettrica.
6. 6. Circuito di protezione con filo sensore secondo le rivendicazioni dal a 5, caratterizzato dal fatto che l'impedenza del circuito di protezione, di carico dei fili sensori, è dell'ordine di alcuni ΜΩ in condizioni di riposo.
7. 7. Circuito di protezione con filo sensore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che, con sistemi di cavo multipli, gli accoppiatori opto-elettronici dei tiristori di commutazione del filo sensore possono essere attivati simultaneamente, con comando seriale, mediante un unico circuito di accensione.