Guida alla protezione e ai relè: selezione, impostazione e test dei relè

Cosa protegge effettivamente un relè di protezione

Un relè di protezione è colui che prende le decisioni: misura la corrente/tensione (e talvolta la frequenza, la potenza, l'impedenza, le armoniche), applica la logica ed emette uno sgancio verso un interruttore automatico quando le condizioni indicano un rischio di danni o un pericolo per la sicurezza. Nella progettazione pratica della protezione e dei relè, proteggi:

• Attrezzature: trasformatori, motori, generatori, cavi, sbarre e alimentatori.
• Stabilità del sistema: prevenzione degli interventi in cascata durante i guasti.
• Persone e strutture: limitazione della durata dell'arco elettrico e dei potenziali contatti non sicuri.

Un modello mentale utile sono le “zone di protezione”. Ogni risorsa dovrebbe avere un confine chiaramente definito e uno schema di relè primario, con protezione di backup a monte. L'obiettivo è che il relè primario scatti per primo; il backup scatta solo se la protezione primaria o l'interruttore si guasta.

Funzioni principali del relè che utilizzerai più spesso

I moderni relè numerici implementano molte funzioni in un unico dispositivo. Di seguito sono riportati gli elementi costitutivi comuni nelle applicazioni di protezione e relè, insieme a ciò in cui sono bravi:

Se è necessario un punto di partenza per molti sistemi industriali e commerciali, un pacchetto combinato di guasto a terra per sovracorrente di fase con curve temporali ben coordinate è spesso la linea di base più conveniente, quindi aggiungere schemi differenziali, di riduzione dell'arco elettrico o di comunicazione assistita laddove il rischio e la criticità lo giustificano.

Progettazione dello schema di protezione: zone, selettività e backup

Una filosofia pratica di protezione e relè dovrebbe rispondere a tre domande per ciascun tipo di guasto: “Chi scatta per primo?”, “Quanto velocemente?” e “Chi interviene in caso di guasto?” La gerarchia classica è:

• Protezione primaria: copre la zona più piccola e interviene più velocemente.
• Backup locale: la logica di guasto dell'interruttore fa scattare gli interruttori a monte se l'interruttore locale non si ripristina.
• Backup remoto: relè a monte di sovracorrente/distanza ritardata che cancella il guasto se gli schemi locali falliscono.

Margine di coordinazione che dovresti pianificare

Per il coordinamento della sovracorrente graduato nel tempo, gli ingegneri generalmente scelgono un intervallo di tempo di coordinamento che copra la tolleranza del tempo di funzionamento del relè, il tempo di sblocco dell'interruttore e gli effetti transitori del TA/relè. In molte impostazioni sul campo, un intervallo di partenza pratico è 0,2–0,4 secondi tra i dispositivi a valle e a monte sullo stesso livello di corrente di guasto (regolare in base alla velocità dell'interruttore e al tipo di relè).

Un rapido controllo del “confine della zona”.

Prima di finalizzare le impostazioni, verificare che ogni confine di zona sia fisicamente significativo: le posizioni dei TA, le posizioni degli interruttori e i sezionatori devono essere allineati. Molti malfunzionamenti si verificano quando i disegni mostrano un confine ma il cablaggio del TA o la disposizione degli interruttori ne implementano un altro.

Trasformatori e cablaggi di strumenti: il punto di guasto nascosto

Le prestazioni della protezione e del relè sono vincolate dalla catena di misurazione. Se il relè non "vede" mai correttamente il guasto, nessuna precisione di impostazione ti salverà.

Trasformatori di corrente (TA): precisione vs saturazione

La saturazione del TA può ritardare o distorcere la corrente durante guasti gravi, soprattutto per elementi differenziali e ad alta velocità. Le mitigazioni pratiche includono:

• Utilizzare classi TA adatte al servizio di protezione e alla corrente di guasto prevista (compreso l'offset CC).
• Mantenere basso il carico secondario: brevi tratti, dimensioni corrette del conduttore, terminazioni solide.
• Convalidare polarità e rapporto su ogni TA; un singolo TA invertito può annullare la protezione differenziale.

Trasformatori di tensione (TV/TP): fusibili e logica di perdita di potenziale

Il guasto del fusibile del TV può simulare guasti di sottotensione o di distanza. Utilizzare la supervisione della perdita di potenziale, ove disponibile, e garantire che le pratiche di fusione secondaria del VT corrispondano alle aspettative del proprio schema. Se il relè utilizza la polarizzazione della tensione, verificare come si comporta in caso di perdita di TV in modo da non creare un punto cieco o una condizione di intervento fastidioso.

Una regola pratica: se si notano operazioni inspiegabili, controllare il cablaggio dei TA/TV, il carico, la polarità e la messa a terra prima di modificare le impostazioni. In molte indagini, la causa principale è cablaggio o comportamento del trasformatore dello strumento , non l'elemento di protezione stesso.

Un flusso di lavoro pratico per le impostazioni dei relè con un esempio pratico

Di seguito è riportato un flusso di lavoro pratico che è possibile applicare per la protezione da sovracorrente dell'alimentatore. Non sostituisce uno studio di coordinamento completo, ma previene gli errori più comuni.

Flusso di lavoro passo dopo passo

1. Raccogli i dati del sistema: linea singola, impedenza del trasformatore, dimensioni dei conduttori, tipi di interruttori, rapporti CT e metodo di messa a terra.
2. Calcola le aspettative di carico e di spunto: domanda massima, avviamenti del motore, eccitazione del trasformatore.
3. Calcolare i livelli di guasto sui bus chiave (minimo e massimo): includere variazioni della sorgente e contributo del motore, ove applicabile.
4. Selezionare gli elementi di protezione: fase OC, guasto a terra, istantanea, direzionale se richiesta.
5. Coordinare le curve temporali da valle a monte con un margine deliberato (non chiudere “a occhio” le intersezioni).
6. Convalidare rispetto agli obiettivi di protezione: nessun intervento con carico normale, intervento per guasto entro il tempo richiesto, corretto funzionamento di backup.
7. Documentare ogni ipotesi e motivazione in modo che i cambiamenti futuri rimangano coerenti.

Esempio realizzato (numeri tipici)

Considerare un alimentatore da 480 V con corrente a pieno carico di 300 A e un rapporto TA di 600:5. Un approccio iniziale comune è:

• Pickup di sovracorrente di fase vicino 1,25× carico massimo previsto (per evitare scatti fastidiosi), quindi regolare gli avviamenti e la diversità del motore.
• Elemento istantaneo impostato al di sopra del guasto passante massimo a valle (per preservare la selettività) o disabilitato dove la selettività è critica.
• Rilevamento guasto a terra scelto per rilevare guasti a terra di basso livello rispettando il sistema di terra; per i sistemi con messa a terra tramite resistenza, questo può essere sostanzialmente inferiore rispetto ai pickup di fase.

In molte strutture, il miglioramento delle prestazioni dell'arco elettrico si basa meno sull'abbassamento dei pickup e più sull'uso di una logica più veloce durante la manutenzione (ad esempio, un ingresso in modalità manutenzione) mantenendo intatta la normale coordinazione. Il risultato difendibile è: veloce quando le persone sono esposte, selettivo quando l'impianto è in funzione .

Relè di protezione moderni: logica, comunicazioni e IEC 61850

I sistemi di protezione e relè utilizzano sempre più schemi assistiti dalle comunicazioni per migliorare la velocità e la selettività. I modelli comuni includono lo sgancio permissivo, gli schemi di blocco e lo sgancio di trasferimento. IEC 61850 consente modelli di dati standardizzati e messaggistica ad alta velocità (ad esempio GOOSE) che possono sostituire gli interblocchi cablati in molti progetti.

Dove la comunicazione aiuta di più

• Protezione della linea: pulizia più rapida con schemi permissivi rispetto alla gradazione temporale pura.
• Coordinamento dei guasti del bus e dell'interruttore: logica deterministica e migliore segnalazione degli eventi.
• Visibilità operativa: l'oscillografia e i registri degli eventi riducono i tempi di risoluzione dei problemi dopo i viaggi.

Controllo informatico e di configurazione (non opzionale)

Poiché i relè moderni sono endpoint programmabili, il controllo della configurazione fa parte dell'affidabilità. Tratta i file di impostazione e le mappature di comunicazione come artefatti controllati: mantieni la cronologia delle versioni, limita l'accesso e convalida le modifiche attraverso un processo di test. Una pratica operativa forte consiste nel richiedere una revisione tra pari per qualsiasi modifica che potrebbe alterare la logica di intervento.

Test e messa in servizio: come appare il "buono" sul campo

Uno schema di protezione e relè è valido tanto quanto la sua messa in servizio. I relè numerici forniscono una diagnostica approfondita, ma è comunque necessario dimostrare il percorso di sgancio end-to-end: rilevamento → logica → contatti di uscita → bobina di sgancio dell'interruttore → pulizia dell'interruttore.

Lista di controllo per la messa in servizio (pratica)

• Verifica della polarità, del rapporto e della fasatura dei TA; messa a terra secondaria controllata e documentata.
• Polarità TV e corretta mappatura fase-fase/fase-neutro; logica di perdita di potenziale verificata.
• Verifica del circuito di sgancio: continuità della bobina di sgancio, alimentazione CC, allarmi di supervisione e corretta mappatura dei contatti di uscita.
• Test di iniezione secondaria: pickup, curve temporali e comportamento direzionale convalidati rispetto alle impostazioni.
• Test end-to-end per viaggi assistiti da comunicazione, ove utilizzati (incluso il comportamento di sicurezza in caso di perdita di comunicazione).
• Acquisizione della registrazione degli eventi verificata: registrazioni dei disturbi, sincronizzazione dell'ora e denominazione corretta della stazione.

Un criterio pratico di accettazione è che il tempo di intervento misurato (apertura dell'interruttore di uscita azionata dal relè) sia coerente con i presupposti di progettazione. Per molte applicazioni si prevede un intervento di protezione “istantaneo” dell’ordine di alcuni cicli a frequenza industriale per la decisione del relè più la rimozione dell'interruttore, ma l'obiettivo esatto deve corrispondere all'interruttore e al piano di coordinamento.

Risoluzione dei problemi relativi a operazioni errate: isolamento rapido della causa principale

Quando un relè scatta inaspettatamente, il modo più rapido per isolare la causa principale è utilizzare una sequenza disciplinata che separa “ciò che il relè ha misurato” da “ciò che il sistema ha sperimentato”. Utilizzare prima i rapporti sugli eventi di inoltro e l'oscillografia; spesso sono più affidabili delle ipotesi formulate a posteriori.

Domande ad alto rendimento a cui rispondere

• Quale elemento affermato (ad esempio, tempo OC, istantaneo, differenziale, sottotensione)?
• Le forme d'onda mostrano una reale impronta del guasto (entità della corrente, sfasamento, sequenza negativa, corrente residua)?
• Il relè era polarizzato correttamente (TV presente, mappatura delle fasi corretta) al momento del funzionamento?
• La saturazione del TA o l'errore di cablaggio potrebbero spiegare le misurazioni (corrente a sommità piatta, correnti di fase non corrispondenti)?
• L'interruttore si è effettivamente aperto o si è verificato uno scenario di guasto dell'interruttore?

Un esempio comune: scatti differenziali all'eccitazione del trasformatore quando la limitazione dello spunto è disabilitata o configurata in modo errato. Un altro problema frequente è il "ripetitore" causato da un guasto a terra causato da un cablaggio residuo errato o da una connessione secondaria del TA allentata. In entrambi i casi, le modifiche delle impostazioni da sole sono rischiose a meno che non si confermi che la catena di misurazione è corretta.

Scegliere il relè giusto per il lavoro

La scelta di un relè di protezione dovrebbe essere determinata dal tipo di guasto, dalla criticità e dalla manutenibilità, non solo dal numero delle funzionalità. Utilizza i criteri seguenti per evitare acquisti eccessivi o, peggio, protezione insufficiente.

Criteri di selezione che contano nella pratica

• Funzioni di protezione richieste: includere espansioni future (alimentatori aggiuntivi, DG, congiuntori).
• Ingressi/uscite: bobine di sgancio, stato dell'interruttore, interblocchi, modalità di manutenzione, allarmi.
• Comunicazioni: supporto protocollo SCADA, esigenze IEC 61850, metodo di sincronizzazione temporale.
• Registrazioni degli eventi: profondità di acquisizione della forma d'onda, trigger e facilità di recupero.
• Manutenibilità operativa: impostazione della disponibilità del software, del supporto dei modelli e dell'impatto della formazione.

Una dichiarazione di risultato pratico per la maggior parte dei progetti è: standardizzare le famiglie di relè e impostare i modelli ove possibile . La standardizzazione riduce i tempi di progettazione, semplifica i ricambi e migliora la risposta agli incidenti perché i tecnici riconoscono i modelli nei report e nella logica degli eventi.