Campo di protezione del relè
I trasformatori di corrente (CT) alimentano i segnali ai relè di protezione nelle fabbriche. Quando si verificano correnti anomale, i relè fanno scattare gli interruttori, prevenendo la bruciatura del motore e costosi danni alle apparecchiature.
I dispositivi di protezione relè (relè di protezione) svolgono un ruolo fondamentale nel garantire stabilità, sicurezza e conformità normativa dei sistemi di generazione e distribuzione di energia. Con l’implementazione dell’energia rinnovabile, la generazione distribuita e i rigorosi codici di rete, i relè sono fondamentali per il rilevamento dei guasti, la disconnessione della rete, l’applicazione di frequenza e tensione e l’affidabilità complessiva del sistema.
Contesto normativo/standard
Le norme tedesche per la connessione alla rete dei sistemi di generazione stabiliscono i requisiti legali per i relè di protezione. Due regole tecniche fondamentali per la connessione sono:
VDE-AR-N 4105: regola i collegamenti a bassa tensione (≤100 kW, <1.000 V CA).
VDE-AR-N 4110: per collegamenti a media tensione (>100 kW o ≥1.000 V AC).
In entrambi i casi sono necessari relè di immissione o di protezione della rete per monitorare tensione, frequenza, interruzioni e fenomeni correlati; disconnettere i generatori in condizioni fuori limite o non sicure; e per prevenire l'islanding (cioè la separazione involontaria di una porzione della rete).
Applicazioni chiave/Casi di studio
1. Centrali idroelettriche e generazione distribuita
Un caso concreto è quello della Lukas Anlagenbau GmbH, un'azienda bavarese che gestisce numerose centrali idroelettriche (capacità da circa 5 kW a 10 MW). A causa della normativa VDE-AR-N 4105 (e delle sue revisioni), i suoi impianti devono rispettare i requisiti di monitoraggio dell'immissione in rete: rilevamento di sovra/sottotensione, sovra/sottofrequenza e reazione in caso di deviazione dei parametri.
Per soddisfare queste esigenze, Lukas Anlagenbau ha implementato il relè di monitoraggio dell'alimentazione in rete CM-UFD.M31 di ABB in oltre 60 impianti idroelettrici. Questo relè monitora continuamente i parametri rilevanti e fa scattare l'interruttore di interfaccia (disconnette l'impianto dalla rete pubblica) quando i limiti vengono superati. Il dispositivo visualizza anche messaggi di errore, supporta soglie precise (frequenza e tensione) e offre una buona usabilità (installazione su guida DIN, display leggibile).
Questo caso illustra come la protezione dei relè garantisce sia la sicurezza operativa che la conformità normativa, consentendo al tempo stesso alla generazione distribuita di partecipare alla rete.
2. Sistemi solari fotovoltaici e 'protezione NA'
Un altro esempio chiave è l'implementazione del solare fotovoltaico, soprattutto nel settore a bassa tensione. Secondo VDE-AR-N 4105, qualsiasi impianto di generazione tra circa 30 kW e 135 kW deve avere installata la protezione della rete e del sistema (protezione NA).
La protezione NA combina un relè di monitoraggio e interruttori di interblocco ridondanti. Il relè monitora la tensione e la frequenza della rete e, quando le deviazioni superano le tolleranze, disconnette l'impianto fotovoltaico dalla rete entro un tempo specificato (spesso entro 0,2 secondi). Gli interruttori di interblocco sono disposti in modo che due elementi di commutazione in serie garantiscano la sicurezza contro i guasti: se uno si guasta, l'altro garantisce comunque la disconnessione. I dispositivi di commutazione comunicano inoltre lo stato al relè di monitoraggio, garantendo il corretto funzionamento.
3. Dispositivi/Relè in uso
I produttori tedeschi come Ziehl producono relè di protezione adattati a questi standard. Ad esempio, i dispositivi UFR1001E e UFR1002IP monitorano, tra gli altri, tensione, frequenza, spostamento vettoriale e tasso di variazione della frequenza (ROCOF), soddisfacendo i requisiti di VDE-AR-N 4105:2018-11 e VDE-AR-N 4110:2018-11.
Questi relè sono utilizzati negli impianti di generazione (solare, idroelettrico, eolico) e forniscono funzionalità cruciali: rilevamento di condizioni anomale della rete, disconnessione sicura, controllo remoto/standby, visualizzazione e registrazione dei guasti. I relè Ziehl sono progettati per essere a prova di guasto singolo (ovvero, se un componente si guasta, la funzione di sicurezza continua a funzionare), che è un requisito secondo le norme di rete tedesche.
Problemi risolti dalla protezione relè
Da queste applicazioni, possiamo vedere diverse categorie di problemi a cui aiutano i dispositivi di protezione relè
Stabilità e sicurezza della rete
Le fonti energetiche rinnovabili sono variabili; cambiamenti improvvisi nella generazione (ad esempio a causa di nubi sul fotovoltaico o di cali di velocità del vento) possono causare fluttuazioni di frequenza e tensione. Se non gestite, queste fluttuazioni possono propagarsi e destabilizzare la rete più ampia. I relè assicurano che gli impianti di generazione si disconnettano quando i parametri superano le tolleranze di sicurezza, proteggendo sia l'impianto che la rete.
Prevenire l'islanding
L'islanding (un'unità di generazione che continua a funzionare quando la rete è disconnessa) è pericoloso per le squadre di manutenzione e può causare danni alle apparecchiature. I relè di protezione con il corretto rilevamento (perdita di tensione, deriva di frequenza, spostamento vettoriale, ecc.) assicurano che quando si perde la connessione alla rete o si verificano guasti, la generazione viene interrotta in modo sicuro. I sistemi solari nel regime di protezione NA devono includere la protezione anti-isola.
Conformità ai codici di rete e ai requisiti legali
Gli standard normativi come VDE-AR-N 4105/4110 in Germania impongono requisiti specifici di protezione, sicurezza e prestazioni. Gli operatori devono utilizzare relè certificati per questi standard, con le impostazioni corrette. La conformità evita sanzioni legali e garantisce che gli impianti possano rimanere connessi e remunerati. Un esempio è il caso della società idroelettrica che ha adottato CM-UFD.M31 di ABB per soddisfare il codice VDE.
Rilevamento guasti e disconnessione rapida
Guasti nelle linee, condizioni di sovratensione, sottotensione, sovrafrequenza o sottofrequenza devono essere rilevati rapidamente per prevenire danni ai componenti ed evitare guasti a cascata. I relè forniscono questo rilevamento e attuazione rapidi (spegnimento) per isolare le parti difettose.
Qualità dell'energia e integrazione nella rete
Con l'aumento dell'energia rinnovabile, la qualità dell'energia (fluttuazioni di tensione, sfarfallio, armoniche) e la coerenza (fase, frequenza) diventano più impegnative. I relè di protezione aiutano a monitorare e applicare i limiti che mantengono una qualità dell'alimentazione accettabile per tutti gli utenti. Supportano anche funzioni come lo spostamento vettoriale (per rilevare relazioni di fase aberranti) e ROCOF (tasso di cambiamento di frequenza), che sono importanti per la stabilità quando sono online grandi quantità di generazione distribuita.
Discussione/lezioni apprese
L'usabilità dei dispositivi è importante: il caso reale in Germania dimostra che i relè facili da configurare, con display chiari e processi di configurazione semplici, hanno molte più probabilità di essere installati e mantenuti correttamente. L'operatore dell'impianto idroelettrico ha previsto facilità di configurazione e precisione.
Ridondanza e sicurezza contro i guasti: due elementi di commutazione indipendenti in serie, il monitoraggio delle posizioni degli interruttori, i relè a doppio canale, il design a prova di guasto non sono solo caratteristiche interessanti ma requisiti normativi in molti codici di rete tedeschi.
Soglie e tempi: impostazioni quali limiti di tensione/frequenza, ritardo prima della disconnessione, capacità di commutazione, ecc. devono essere adattate ai requisiti del gestore della rete locale. Le norme tedesche definiscono i limiti di tempo (quanto velocemente un generatore deve disconnettersi quando la tensione/frequenza è fuori range). La sensibilità, la precisione e la velocità dei relè sono decisive.
Evoluzione degli standard: gli standard VDE-AR-N 4105 e 4110 si sono evoluti. I produttori e gli operatori devono tenere il passo con le revisioni. I relè di protezione spesso forniscono valori di soglia preimpostati per le versioni attuali di questi standard.
Conclusione
I dispositivi di protezione relè sono la pietra angolare dell'integrazione sicura, conforme e stabile delle fonti energetiche rinnovabili e distribuite. Attraverso l'applicazione di standard normativi (VDE-AR-N 4105/4110), l'implementazione di dispositivi relè avanzati (ABB, Ziehl ecc.) e il lavoro su casi reali nei sistemi idroelettrici e solari fotovoltaici, i relè affrontano questioni chiave:
disconnessione in condizioni di tensione/frequenza non sicure
impedendo l’isola
protezione delle apparecchiature e stabilità della rete
garantire il rispetto ed evitare sanzioni
Mentre la transizione energetica della Germania ('Energiewende') continua, con una generazione più decentralizzata, stoccaggio di energia, microreti e reti intelligenti, i relè di protezione aumenteranno di importanza, non solo per la sicurezza e la regolamentazione, ma anche come abilitatori di affidabilità, resilienza e funzionamento flessibile.
