ITMI962222A1 - Sistema di distribuzione dell'energia elettrica con interruttori automatici di protezione e relativo procedimento - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo: "Sistema di distribuzione dell'energia elettrica con interruttori automatici di protezione e relativo procedimento"

Riassunto del trovato

Sistema di distribuzione dell'energia elettrica, comprendente una pluralità di interruttori automatici di protezione (10, 11, ...; 20, 21, ...) distribuiti su più livelli, ciascuno comprendente una unità di protezione elettronica (15) che comanda l'apertura dell'interruttore. Sono inoltre previsti mezzi di collegamento (17, 18, 19; 27, 28, 29) tra gli interruttori per lo scambio di informazioni relative al loro stato di apertura o di chiusura. L'apertura dell'interruttore dipende dai valori della corrente (i(t)) e della sua derivata (di(t)/dt).

Il metodo per controllare la sequenza di intervento degli interruttori (10, 11, ...; 20, 21, ..) interbloccati fra loro prevede che, quando un interruttore rileva una condizione di guasto, esso lo comunica all'interruttore di livello immediatamente superiore, determinandone il blocco dell'apertura, e che l'interruttore superiore, rilevando la stessa condizione di guasto, comunica tale informazione all'eventuale interruttore a monte determinandone il blocco dell'apertura. (Fig. 1)

Descrizione del trovato

La presente invenzione riguarda un sistema per la distribuzione dell'energia elettrica, in particolare sistemi per bassa e media tensione, comprendenti interruttori automatici di protezione.

Più precisamente, l'invenzione riguarda un sistema di distribuzione comprendente interruttori automatici di protezione distribuiti gerarchicamente a diversi livelli. L'invenzione inoltre comprende un procedimento per controllare la sequenza di intervento degli interruttori automatici interbloccati fra loro in modo da intervenire selettivamente per escludere le parti del sistema soggette a guasto.

Attualmente, per la protezione di questi sistemi di distribuzione vengono impiegati interruttori automatici in cui la protezione di un guasto da corto circuito con valori di corrente prossimi al potere di interruzione è realizzata con dispositivi elettromeccanici classici, basati sull'effetto elettrodinamico delle correnti di guasto, che hanno un tempo di reazione dell'ordine di millisecondi. Le reti di distribuzione dell'energia elettrica prevedono una pluralità di tali interruttori distribuiti radialmente su diversi livelli, allo scopo di limitare selettivamente l'interruzione dell'energia alla sola parte o zona di rete interessata dal guasto.

Tale selettività tra i diversi interruttori viene attualmente ottenuta sfruttando i differenti valori della corrente e dei tempi di intervento delle protezioni, e la loro diversa inerzia meccanica, dipendente dalle loro dimensioni (e quindi dalle masse coinvolte nel movimento di apertura) .

In altre parole, un interruttore cui fanno capo diversi altri interruttori che alimentano altrettanti carichi o sottoinsiemi del sistema, presenta valori di regolazione del dispositivo di protezione, dimensioni e inerzia maggiori degli interruttori che esso alimenta, e quindi non interverrà per guasto a valle degli interruttori più piccoli, da esso alimentati. Ciò si verifica ovviamente per tutti i livelli superiori cui si può propagare la corrente di guasto.

Le dimensioni degli interruttori sono a loro volta funzione della corrente nominale dell'interruttore, e quindi il dimensionamento dell'impianto, dovendo garantire i requisiti di selettività, è basato non solo sui valori delle correnti di esercizio presenti in ciascun nodo, ma anche sulle esigenze di selettività che spesso richiedono di mantenere nell'impianto la corrente di corto circuito per tempi più lunghi di quelli realmente necessari ad interrompere la corrente di guasto.

Infatti, mentre l'esigenza di minimizzare l'energia di guasto, ossia il danno, richiede un intervento che sia il più rapido possibile, l'esigenza di selezionare tra gli interruttori quello che deve intervenire, richiede un rallentamento dell'intervento di protezione. Come conseguenza, i sistemi noti dallo stato della tecnica non consentono di ottimizzare il dimensionamento di un impianto di distribuzione dell'energia elettrica per quanto riguarda gli interruttori di protezione.

Scopo della presente invenzione è quello di superare gli inconvenienti appartenenti allo stato della tecnica anteriore, ed in particolare di realizzare un sistema di distribuzione dell'energia elettrica con un dimensionamento ottimale degli interruttori, che garantisca entrambe le caratteristiche di intervento rapido e di selettività certa.

Questi scopi vengono conseguiti mediante l'invenzione che comprende una pluralità di interruttori automatici di protezione distribuiti su almeno due livelli, caratterizzato dal fatto che ciascuno degli interruttori comprende una unità di protezione elettronica che comanda l'apertura dell'interruttore sulla base dei valori della corrente (i(t)) e della sua derivata (di(t)/dt), e dal fatto che sono previsti mezzi di collegamento tra gli interruttori per lo scambio di informazioni relative alle condizioni di guasto oltre che al loro stato.

L'invenzione consiste inoltre in un procedimento per controllare la sequenza di intervento degli interruttori automatici di protezione in un sistema di distribuzione dell'energia elettrica, interbloccati fra loro e distribuiti su almeno due livelli, caratterizzato dal fatto che, quando un interruttore rileva una condizione di guasto, esso lo comunica all'interruttore di livello immediatamente superiore, determinando il blocco dell'apertura, e che l'interruttore di livello superiore, rilevando la stessa condizione di guasto, comunica la relativa informazione all'eventuale interruttore a monte, determinandone il blocco dell'apertura, che tale processo di comunicazione si arresta al raggiungimento del massimo livello gerarchico della struttura, oppure quando uno degli interruttori non rivela più alcuna condizione di guasto. Vantaggiosamente, la rilevazione del guasto viene basata sia sul valore istantaneo della corrente circolante che sulla sua derivata.

Ulteriori vantaggiose caratteristiche formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

L'invenzione sarà ora descritta con riferimento ai disegni allegati, relativi a due forme realizzative preferite ma non limitative dell'invenzione.

Nei disegni:

la figura 1 illustra schematicamente una parte di sistema per la distribuzione dell'energia elettrica secondo 1'invenzione;

la figura 2 mostra la struttura di: acquisizione dei valori di corrente (i(t)), elaborazione numerica degli stessi e attuazione del cinematismo di apertura presenti in un interruttore impiegato nell'invenzione;

la figura 3 mostra graficamente un esempio di insieme delle condizioni di funzionamento accettabili;

la figura 4 illustra la struttura di interblocco (suddivisa in due sezioni) di un singolo interruttore;

la figura 5 mostra una configurazione di interruttori interbloccati con connessione breve; e

la figura 6 mostra una configurazione di interruttori interbloccati mediante connessioni lunghe.

Nelle varie figure, gli stessi riferimenti numerici vengono utilizzati per contraddistinguere componenti uguali o sostanzialmente equivalenti.

La figura 1 illustra schematicamente una parte di un sistema di distribuzione dell'energia elettrica secondo l'invenzione, comprendente un quadro I che ospita un interruttore 10 e quattro interruttori 11, 12, 13 e 14, collegati in cascata rispetto al primo, ciascuno dei quali alimenta un corrispondente carico..11 sistema può essere applicato a distribuzione trifase (a tre o quattro conduttori) , bifase, fase-neutro, anche se per semplicità illustrativa in figura 1 è rappresentato con un solo conduttore .

Inoltre, la figura mostra soltanto il carico costituito da un quadro II, a sua volta contenente un interruttore 20 in cascata al quale sono collegati quattro interruttori 21, 22, 23 e 24, ciascuno dei quali è a sua volta collegato ad un ulteriore carico (non mostrato).

In figura 1, oltre ai collegamenti tra gli interruttori che consentono il passaggio dell'energia elettrica (mostrati a tratto spesso), sono indicati collegamenti 17, 18, 19, 27, 28, 29 in cui transitano informazioni che vengono scambiate, in modo unidirezionale o bidirezionale, tra i diversi interruttori.

È chiaro dalla figura 1 come gli interruttori siano distribuiti su diversi livelli (quattro livelli sono mostrati nella figura) e che in parallelo agli interruttori "principali" 10 e 20 possono essere previsti altri interruttori di uguale livello. Infine, la struttura radiale del sistema esemplificato in figura 1 non è da interpretarsi in senso limitativo.

In caso di guasto che interessi, ad esempio, l'interruttore 24 (corto circuito o corrente di guasto a terra nel circuito a valle dell'interruttore 24) il sistema secondo l'invenzione realizza una condizione di interblocco tale da garantire non solo la rapida apertura dell'interruttore 24, ma anche che gli interruttori di livello superiore 20, 14 e 10 rimangano chiusi.

Con riferimento anche alla figura 4, l'elemento di base della struttura di impianto è rappresentato dal singolo interruttore 10 il quale è suddiviso in due sezioni, indicate rispettivamente come sezioni "padre" 10A e sezione "figlio" 10B.

Ciascun interruttore è in grado di comunicare con gli interruttori a monte e a valle, appartenenti sia allo stesso quadro che a quadri diversi. Secondo l'invenzione, per ciascun interruttore vengono definiti due tipi di connessione, definite rispettivamente "connessione verso l'alto" e "connessione verso il basso".

La "connessione verso l'alto" identifica una connessione alla sezione 10B cosiddetta "figlio" dell'interruttore, mentre la "connessione verso il basso" identifica una connessione alla sezione 10A cosiddetta "padre" dell'interruttore. Pertanto, un interruttore è contemporaneamente padre nei confronti degli interruttori di livello gerarchico inferiore, e figlio nei confronti dell'interruttore a monte cui è collegato.

Quando un interruttore rileva una condizione di guasto, esso lo comunica alla sezione "padre" dell'interruttore di livello gerarchico immediatamente superiore, determinandone in tal modo il blocco dell'apertura. L'interruttore che riceve l'informazione, qualora sia a sua volta "figlio" nei confronti di un interruttore a monte, e anch'esso rilevi la stessa condizione di guasto, la comunica al proprio interruttore "padre", e così via. Questo processo di comunicazione si conclude in uno dei due modi seguenti: o raggiungendo il più alto livello gerarchico della struttura, oppure con la mancata rivelazione di guasto da parte di un interruttore presente nella catena di comunicazione. E' da sottolineare il fatto che più "figli" possono parlare in simultanea.

La figura 2 mostra più dettagliatamente la struttura degli elementi che compongono la parte di acquisizione ed elaborazione dei valori di corrente (i(t)) presente in un interruttore impiegato nell'invenzione.

Esso comprende un sensore 1 della corrente primaria, in grado di rilevare la corrente circolante nel conduttore di alimentazione che fa capo all'interruttore. Il sensore 1 è collegato ad una parte di protezione elettronica 15 che comprende, in serie fra loro, un convertitore 2, un convertitore A/D 3 ed un filtro 4. L'uscita di filtro 4 è collegata ad una unità di elaborazione 6, sia direttamente che, tramite un blocco 5, in grado di eseguire la derivata del segnale di ingresso.

L'unità di elaborazione 6 dispone di una memoria 7, e la sua uscita è collegata alla bobina di sgancio 8 dell'interruttore, la quale comanda il cinematismo 9 di apertura dell'interruttore.

Il funzionamento dell'interruttore sopra descritto è il seguente. Il sensore 1 rileva le correnti che circolano nel circuito primario e il segnale analogico così ottenuto viene convertito in un segnale di tensione del convertitore 2. Il segnale di tensione viene quindi convertito in forma digitale (per l'elaborazione numerica) da parte del convertitore analogico-digitale 3, e quindi filtrato nel filtro 4 del tipo anti-spike che introduce un ritardo minimo.

Preferibilmente, il filtro 4 è un filtro numerico di tipo ellittico del terzo ordine, con frequenza di taglio a 1 kHz. Poiché la rilevazione del guasto viene basata sui valori istantanei della corrente (convertita in tensione) e sulle loro derivate, il filtraggio ha lo scopo di evitare che segnali con valori di corrente relativamente bassi (e quindi non ascrivibili ad un corto circuito), ma con elevato valore della derivata prima, possano inficiare le prestazioni complessive della protezione.

Il blocco 5 calcola i valori istantanei della derivata di(t)/dt del segnale rappresentativo della corrente i(t) circolante. Preferibilmente il blocco 5 utilizza un filtro (numerico) derivatore del secondo ordine avente una banda passante 5 kHz che è sufficiente per rilevare in modo preciso le derivate delle correnti di un guasto di corto circuito .

L'unità di elaborazione 6 riceve quindi in ingresso un segnale rappresentativo della corrente e un segnale rappresentativo della sua derivata, e i due valori definiscono un punto o vettore nel piano i(t)-di(t)/dt, come mostrato in figura 3.

La figura 3 mostra una regione A di funzionamento ammesso, ossia definisce il luogo dei punti che appartengono a stati di lavoro normale, compresi quelli di sovraccarico ma non di corto circuito. I punti esterni all'area A costituiscono condizioni di funzionamento anomale o comunque tali da richiedere un intervento protettivo.

In questo piano una corrente variabile nel tempo definisce un tracciato come quelli indicati in figura con TI e T2. Finché questo tracciato, ad esempio T2, rimane nell'area A (o di non-corto circuito), la situazione è considerata "normale".

Qualora il tracciato, TI in figura, esca da questa zona, si considera la situazione come di corto circuito. Nel blocco 6 viene quindi effettuato un confronto, istante per istante, fra le coppie di variabili i(t) e di(t)/dt provenienti dal circuito primario, e le coppie che formano la regione di non-corto circuito.

Quando viene segnalata una condizione di guasto, il dispositivo emette un segnale di sgancio al solenoide della bobina 8 il quale, agendo sul cinematismo dell'interruttore, ne determina l'apertura.

Per garantire la richiesta selettività, secondo l'invenzione viene garantito uno scambio di informazioni tra gli interruttori presenti nei diversi nodi dell'impianto e che potrebbero aver rilevato contemporaneamente il guasto.

La comunicazione risulta particolarmente veloce per garantire lo scambio di informazioni tra gli interruttori in tempi tali da consentire, da un lato, l'intervento dell'interruttore direttamente interessato prima che la corrente raggiunga valori tropo elevati, e dall'altro il blocco di altri interruttori che si trovano a monte del guasto. Tipicamente la comunicazione con il livello successivo si ottiene in tempi inferiori a 100 microsecondi.

L'affidabilità del sistema di comunicazione viene ottenuta tramite una duplicazione dei messaggi scambiati fra i diversi interruttori e tramite un auto-monitoraggio (effettuato dalla protezione elettronica stessa) dell'efficienza e della corretta funzionalità del mezzo trasmissivo e della componentistica circuitale che gestisce la trasmissione.

Come già indicato, il sistema mira ad evitare l'apertura di interruttori a livello gerarchico superiore quando il guasto è già stato riconosciuto da un interruttore a valle. Il sistema gestisce sia i guasti di cortocircuito che i guasti a terra.

Il sistema di comunicazione è in grado di comunicare diverse condizioni di guasto. In particolare vengono considerati i guasti associati a messaggi indicati con le sigle E, G ed SOS. Il messaggio E è un guasto del tipo EFDP (Early Fault Detection Prevention, ossia di cortocircuito) rivelato a valle. Il messaggio G indica il guasto a terra (Ground Fault), e il messaggio SOS indica un comando di apertura per problemi meccanici a valle.

La configurazione o pattern di comunicazione di interblocco è del tipo rappresentato dalla tabella 1.

Tabella 1

messaggio

0 1 0 E E G G S S

dove il livello del segnale può assumere il livello basso (0) o il livello alto (1). I primi tre bit del messaggio costituiscono un segnale di sincronismo fisso, mentre il resto del messaggio contiene i dati. I primi tre bit hanno sempre la configurazione 01 0 e ciò consente di recuperare eventuali perdite di sincronismo. La tabella 2 che segue riporta tutte le possibili configurazioni di messaggio, e dalla tabella si riscontra come la combinazione "OlO" compaia sempre nella stessa posizione, ossia all'inizio della configurazione di sincronismo.

I successivi sei bit sono dedicati ai tre possibili stati "semplici" E, G ed S e uno stato viene ripetuto per due bit (EE, GG, SS) per aumentare l'immunità nei confronti del rumore. Il livello 1 di questi bit indica la presenza del guasto corrispondente, mentre il livello 0 indica assenza di guasto.

Nelle comunicazioni è prevista una fase di avvio o startup comprendente anche la sincronizzazione.

In funzione della allocazione degli interruttori (all'interno di uno stesso quadro, oppure in quadri diversi) , vengono definiti due diversi tipi di connessione. E' prevista una connessione "breve” quando gli interruttori appartengono allo stesso quadro, e quindi la lunghezza della tratta di comunicazione non supera i 10 metri circa. In questo caso, si ha un interruttore padre connesso a più interruttori figli, come mostrato a titolo di esempio in figura 5 che mostra una tipica configurazione di interruttori interbloccati con una connessione 18 breve. Nella figura, per semplicità di rappresentazione, sono stati illustrati solo i collegamenti informativi.

È prevista una connessione "lunga” quando gli interruttori appartengono a quadri diversi e la lunghezza della tratta di comunicazione può arrivare a valori fino a 1 km. In questo caso, si ha una sola connessione tra un interruttore padre connesso ad un unico interruttore figlio.

Nelle connessioni lunghe, data la lunghezza della tratta di comunicazione notevolmente superiore a quella della precedente, è previsto di norma un isolamento galvanico, l'adattamento della linea di comunicazione da monofilare (single-ended) a bilanciata o differenziale, ed il filtraggio dei disturbi captati dalla linea di trasmissione. La connessione lunga può prevedere anche l'uso di fibre ottiche con le modifiche hardware corrispondenti (cambia l'adattatore e il mezzo trasmissivo) . In alcune particolari configurazioni, l'adattamento (sia con trasformatore d'isolamento che con fibra ottica) potrebbe non essere usato.

La figura 6 mostra una tipica configurazione di interruttori interbloccati mediante connessioni lunghe, in cui tra la linea 34 e i moduli di comunicazione per 1'interblocco 30 e 31 viene interposto un modulo esterno (rispettivamente 32 e 33 in figura) . Come mostrato schematicamente, ciascuno di tali moduli 32, 33 comprende un trasformatore di isolamento con avvolgimento bilanciato verso la linea 34, ed un blocco di filtraggio dei disturbi Di fatto, l'esigenza di usare una connessione "breve" o "lunga" è legata non solo alla "lunghezza" della connessione stessa, ma anche alla necessità di avere più di un figlio o alla necessità, in architetture particolari, di avere o meno connessioni monodirezionali. Pertanto, le connessioni, con 1'hardware e l'algoritmo associati, sono entrambe disponibili per le diverse possibili esigenze.

Claims (12)

1. Rivendicazioni 1. Sistema di distribuzione dell'energia elettrica, comprendente una pluralità di interruttori automatici di protezione (10, 11; 20, 21) distribuiti su almeno due livelli, caratterizzato dal fatto che ciascuno degli interruttori comprende una unità di protezione elettronica (15) che comanda l'apertura dell'interruttore sulla base dei valori della corrente (i(t)) e della sua derivata (di(t)/dt), e dal fatto che sono previsti mezzi di collegamento (17, 18, 19; 27, 28, 29) tra gli interruttori per lo scambio di informazioni relative alle condizioni di guasto oltre che al loro stato.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuno degli interruttori è suddiviso in due sezioni, rispettivamente una sezione "padre" (10A, 11A) e una sezione "figlio" (10B, 11B), e che i mezzi di collegamento collegano fra loro (18, 28) le sezioni "figlio" (11B, 12B, 21B, 22B) degli interruttori di uno stesso livello (11, 12, .. 21, 22) e con la sezione "padre" (10A, 20A) di un interruttore (10) del livello immediatamente superiore, e che collegano (19) la sezione "padre" (14A) di un interruttore (14) con la sezione "figlio" (20B) di un interruttore (20) del livello immediatamente inferiore.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il sistema prevede almeno un interruttore primario (10; 20) e una pluralità di interruttori (11, 12, 13, 14; 21, 22, 23, 24), collegati in cascata rispetto all'interruttore primario (10; 20).
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che, quando gli interruttori appartengono allo stesso quadro o livello, sono collegati da una connessione bidirezionale o "breve".
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che, quando gli interruttori appartengono a quadri o livelli diversi, essi sono collegati da una connessione unidirezionale o "lunga".
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la connessione "lunga" può prevedere l'impiego di moduli esterni (32, 33), ciascuno comprendente un trasformatore di isolamento con avvolgimento bilanciato ed un blocco di filtraggio dei disturbi.
7. 7. Sistema secondo le rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che l'unità di protezione elettronica (15) comprende un convertitore (2) collegato in serie ad un convertitore A/D (3) e ad un filtro (4), che l'uscita del filtro (4) è collegata ad una unità di elaborazione (6), sia direttamente che tramite un blocco (5) in grado di calcolare la derivata del segnale in ingresso, e che alla unità di elaborazione (6) è collegata una memoria (7).
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che l'uscita della unità di elaborazione (6) è collegata ad un dispositivo per lo sgancio (8) dell' interruttore.
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto di prevedere un sensore (1) della corrente primaria collegato alla parte di protezione elettronica (15).
10. 10. Sistema secondo le rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzato dal fatto che il sistema di distribuzione dell'energia elettrica è un sistema di bassa e media tensione.
11. 11. Procedimento, per controllare la sequenza di intervento degli interruttori automatici di protezione (10, 11; 20, 21) in un sistema.di distribuzione dell'energia elettrica, interbloccati fra loro e distribuiti su almeno due livelli, caratterizzato dal fatto che, quando un interruttore rileva una condizione di guasto, esso lo comunica all'interruttore di livello immediatamente superiore, determinando il blocco dell'apertura, e che l'interruttore di livello superiore, rilevando la stessa condizione di guasto, comunica la relativa informazione all'eventuale interruttore a monte, determinandone il blocco dell'apertura, che tale processo di comunicazione si arresta al raggiungimento del massimo livello gerarchico della struttura, oppure quando uno degli interruttori non rivela più alcuna condizione di guasto.
12. 12. Procedimento, secondo la rivendicazione il, caratterizzato dal fatto che la condizione di guasto viene determinata sulla base dei valori della corrente (i{t)) circolante nell'interruttore e della sua derivata {di(t)/dt).