cassetta + adattatore

1.SOMMARIO

L'articolo completa la rassegna di esperienze che ho pubblicato su Electroyou nel corso degli anni sull'argomento delle prove dei sistemi di protezione (SPG e SPI) presenti negli impianti BT e MT di utenti sia passivi che attivi. La norma CEI 0-16 (All. C.4) ha reso obbligatorie le prove in campo del SPG con la cassetta prova relè sia in sede di prima installazione che periodicamente ogni 5 anni. Quindi è evidente che questa attività interessa un grande numero di utenti e sarà sempre più richiesta. Questa considerazione mi ha spinto a rinnovare la cassetta di prova SPG, molto spartana (ma efficace e che ho usato fino a ora), presentata oltre 10 anni fa su Electroyou, che ora può andare in pensione perchè sorpassata dalle tecnologie digitali dei sistemi di misura "embedded" cioè con un SW dedicato residente su un PC di controllo che dialoga tramite porta USB con uno o più microcontrollori.

2.ESIGENZE DI PROGETTO

La cassetta prova relè SPG deve essere in grado di testare la protezioni ANSI 50/51 ; 51N ; 67N come richiesto dal DSO che fornisce informazioni all'utente (CEI 0-16 art. 8.5.12.3) specificando le soglie e i tempi da impostare nella PG per rispettare i tempi d'intervento del SPG al fine di garantire la selettività rispetto alle sue protezioni presenti in cabina primaria (C.P. del DSO). La cassetta prova relè deve avere minimo una uscita di tensione e una di corrente di tipo sinusoidale di ampiezza idonea e misurabile per attivare durante i test le soglie della PG e provvedere anche alla misura del tempo d'intervento del SPG che si estende dal ms ai minuti. La tensione e la corrente generata della cassetta prova relè devono inoltre essere sfasabili, l'una rispetto all'altra, di un angolo di fase tra 0° e 360° per testare la protezione 67N-NI e 67N-NC, nei competenti settori d'intervento, come previsto dalla norma CEI 0-16. Ho aggiunto anche una generazione ad alta corrente fino a 800 A ottenuta tramite un adattatore, utile per eseguire l'iniezione diretta di corrente nei TA toroidali o con barra passante. L'adattatore è raffigurato in foto sopra la cassetta prova relè. La realizzazione della cassetta prova relè è nelle due foto seguenti che evidenziano i particolari costruttivi interni della parte superiore e inferiore.

SPG rack superiore

SPG rack inferiore

3.GENESI E DESCRIZIONE DEL PROGETTO

Esistono cassette prova relè commerciali ma i prezzi (intorno a 10.000 € e oltre) sono decisamente elevati perchè questi apparecchi sono rivolti a un mercato molto ristretto e specializzato e quindi i costi non possono scendere ai livelli accessibili della strumentazione elettronica di impiego generale e diffuso come oscilloscopi, multimetri ecc. ecc. anche di buone prestazioni e qualità. Allora l'idea è provare a costruire un apparecchio, sfruttando tutto quello che è già premontato e disponibile come schede elettroniche finite e a basso costo e componenti commerciali di facile reperibilità tipo :

1. ARDUINO NANO - scheda a microcontrollore cuore del sistema, generatore dei segnali sinusoidali di tensione e corrente con tecnica DDS dal FW che si occupa anche delle rispettive misure unitamente alla misura del tempo d'intervento del SPG;
2. AMPLIFICATORI DI POTENZA IN CLASSE D - schede disponibili su Aliexpress con controller IRS2092 per amplificare i segnali sinusoidali di tensione e corrente generati da ARDUINO NANO;
3. ALIMENTATORE SWITCHING DUALE 230Vca/+60/-60 Vcc - scheda disponibile su Aliexpress per alimentare gli amplificatori in classe D;
4. TA VARI - reperibili da RS per la misura di corrente e per l'adattatore per alta corrente;
5. TRASFORMATORI 100VA AVVOLTI SU SPECIFICA - di uscita per la generazione di tensione e corrente da applicare al SPG.

Progettare uno strumento elettronico come una cassetta prova relè è inoltre un'attività propedeutica per il suo migliore impiego in campo. Il FW del micro è stato sviluppato in ambiente FLOWCODE 6 mentre il SW su PC (S.O. da WinXP a Win11) è costituito da un file .exe senza installazione sviluppato con PROFILAB EXPERT 4.0. Entrambi gli ambienti di sviluppo FW e SW sono di tipo visuale a oggetti, perfetti per chi come me non nasce con una formazione orientata alla programmazione informatica tradizionale.

4.CARATTERISTICHE DELLA CASSETTA SPG CEI 0-16

Di seguito sono elencate le caratteristiche degli ingressi/uscite dell'apparecchio per illustrare il suo uso durante i test del sistema SPG con i dovuti riferimenti alla norma CEI 0-16.

USCITA I-test

Ip o equivalentemente I-test da 0,03 A a 30 A (1000 passi/risoluzione 0,03 A) è la corrente di prova per iniezione secondaria negli ingressi amperometrici della PG.

USCITA Vo

Vo da 0 V a 8 V (1000 passi/risoluzione 0,008 V) è la tensione di prova da applicare direttamente agli ingressi voltmetrici della PG (secondari dei 3 TV MT fase-terra collegati a triangolo aperto).

USCITA AUSILIARIA Vo (alta tensione)

Vo da 0 V a 400 V (1000 passi/risoluzione 0,4 V) è la tensione di prova da applicare ai primari dei TV lato MT durante il test di direzionalità della protezione 67N, vedi art. C.4.1.4 della norma CEI 0.16.

Le due uscite per la tensione Vo sono indipendenti e galvanicamente isolate tra di loro, inoltre è possibile impostare lo sfasamento in ritardo di I-test rispetto a Vo da 0° a 360°. Per questo le uscite di I-test e Vo sono "polarizzate" con l'uso di boccole sul pannello dello strumento di colore diverso (rosso/nero).

USCITA CT ADAPTER

A questa uscita, tramite connettore multipolare IP67, viene connesso l'adattatore CT (accessorio) per la generazione di correnti "CORR. I-test" di elevato valore (da >30 A a 800 A max.) per eseguire l'iniezione primaria direttamente nei TA toroidali o con barra passante. In questo modo si può provare tutta la catena protettiva del SPG, trasformatori di corrente compresi. Quando si collega la spina dell'adattatore CT per alte correnti al connettore multipolare sul pannello della cassetta si accende la spia di presenza "ADATTATORE CT" nelle pagine del SW su PC (vedi cap.6 più avanti) che gestisce automaticamente il passaggio al campo di correnti elevate "CORR. I-test" >30 A a 800 A.

N.B. la corrente Ip generata con l'adattatore NON rispetta le relazioni di fase con Vo e non può quindi essere usata per la prova della protezione 67N ma solo per le protezioni 50/51 di massima corrente.

TRIP SPG

Ingresso optoisolato di tensione che serve per segnalare al micro ARDUINO NANO quando il sistema SPG è intervenuto (TRIP). L'ingresso accetta tensioni alternate a.c. o continue d.c. di valore compreso tra 24 V e 230 V indifferentemente. L'attivazione (TRIP) può essere selezionata mediante la scelta della caduta di tensione o gradino di tensione (TRIGGER) secondo necessità.

PULSANTE LUMINOSO "RESET"

Con la pressione di questo pulsante si agisce sul reset del micro, facendolo ripartire. Il led luminoso associato al pulsante quando si accende segnala che l'ingresso TRIP ha cambiato stato, cioè il SPG è intervenuto (oppure è stato premuto il pulsante "MEM.TIME").

PULSANTE LUMINOSO "MEM.TIME"

Il led luminoso associato al pulsante si accende quando dal SW sul PC si inviano i dati al micro ARDUINO NANO per generare sulle uscite della cassetta le grandezze I-test e Vo desiderate per eseguire il test di una determinata funzione protettiva. L'accensione del led "START TIME" indica la corretta ricezione dei dati e corrispondentemente l'azzeramento del contatore del tempo d'intervento del SPG. Con la pressione del pulsante "MEM. TIME" si memorizza il conteggio del tempo corrente fino all'attivazione dell'ingresso TRIP da parte del SPG che determina la fine del test.

5.ALTRO IMPIEGO DELLA CASSETTA PROVA RELE'

Si vuole di seguito indicare un impiego dell'apparecchiatura presentata, molto utile, che non ha alcuna attinenza con le prove dei sistemi SPG e norme CEI 0-16.

Dal momento che la cassetta genera tensioni e correnti, sfasate a piacere tra di loro, in un ampio campo di valori e con distorsione totale THD% < 0,3% è naturale pensare al suo impiego come generatore di calibrazione per trasduttori di corrente, tensione e potenza attiva (monofase).

V-I sfasamento 60°

V-I diagramma vettoriale

setup calibrazione convertitore Patt. MULTITEK

6.IL SW DI GESTIONE SU PC

Come già detto il SW che controlla la cassetta prova relè è costituito da un file eseguibile (.exe) compilato dall'IDE dell'ambiente di sviluppo PROFILAB EXPERT 4.0 di Abacom. Consiglio di prendere in considerazione questo ambiente di programmazione a oggetti perchè la licenza commerciale ha un costo di acquisto decisamente abbordabile (intorno a 100 €) e consente di fare cose molto interessanti e in modo semplice per la gestione avanzata della strumentazione di misura e automazione industriale. Il SW è strutturato con 4 pagine per la configurazione del programma e per l'esecuzione dei test previsti dalla norma CEI 0-16.

SPG SETUP

TAB SPG SETUP

La pagina è auto-esplicativa, sono indicati i richiami alla norma CEI 0-16 che tratta le prove in campo. Gli strumenti di calcolo presenti nella pagina servono per : A) disegnare per punti le varie curve d'intervento della protezione 51.S1 (I>) a tempo dipendente secondo la norma CEI EN60255-151 e B) calcolare la tensione (Vo) da applicare agli ingressi di tensione della PG per il test della protezione 67N, secondo la tensione U concatenata MT di linea (V) e le soglie di Vo (V) comunicate dal DSO. Nella parte superiore della pagina c'è la barra dei classici strumenti WIN di sistema e di configurazione del programma (icona cacciavite) :

CONFIGURAZIONE SW

Le stampe delle pagine con i risultati dei vari test sono possibili mediante le stampanti di sistema del S.O. nei vari formati, di solito .jpg o .pdf, che non sono modificabili dall'operatore come richiede l'art. C.4.3 della norma CEI 0-16.

TEST 50/51

TAB TEST 50/51

Per abilitare questa pagina devono essere disabilitati i test automatici delle soglie 50/51 e 51N/67N. Da questa pagina si eseguono i test delle funzioni protettive indicate secondo gli artt. C.4.2.1, C.4.2.2 e C.4.2.3 della norma CEI 0-16. La corrente di prova desiderata (iniezione secondaria negli ingressi amperometrici della PG) si inserisce nella finestra "CORR. I-test" e quindi si preme "TEST 50/51" per inviare i dati delle grandezze di prova alla cassetta. I risultati del test, se l'SPG è intervenuto, si leggono nelle rispettive finestre "I-MT" e "TEMPO INT.". Se nella finestra SPG SETUP è stato impostato il rapporto dei TA collegati alla PG, la misura di corrente rilevata viene automaticamente riportata al livello MT.

TEST SOGLIE 50/51

TAB TEST SOGLIE 50/51

La pagina deve essere abilitata con il pulsante "ABILITA TEST" per essere attiva. Da questa pagina di eseguono i test delle funzioni protettive a tempo indipendente secondo gli artt. C.4.2.2 e C.4.2.3 della norma CEI 0-16. La prova è identica a quella della pagina precedente, ma ora la corrente di test viene applicata agli ingressi amperometrici della PG solo per un determinato tempo (selezionabile) : se questo tempo è superiore al tempo di ritardo d'intervento impostato nella PG allora l'SPG interviene (TRIP), altrimenti la soglia viene attivata (START) ma l'SPG non interviene (NO TRIP).

TEST 51N/67N

TAB TEST 51N/67N

La pagina deve essere abilitata con il pulsante "ABILITA TEST" per essere attiva. Da questa pagina di eseguono i test delle funzioni protettive 51N secondo gli artt. C.4.2.4 e C.4.2.5 della norma CEI 0-16. L'iniezione di corrente nella PG, visto il valore di corrente di pochi mA necessaria per il test 51N.S1 (Io>), può essere fatta tramite TO ausiliario 100/1 A oppure direttamente nell'ingresso amperometrico omopolare della PG per il test 51N.S2 (Io>>). In questo secondo caso se nella finestra SPG SETUP è stato impostato il rapporto del TO collegato alla PG, la misura di corrente rilevata viene automaticamente riportata al livello MT. Da questa pagina di eseguono inoltre i test della funzione protettiva 67N delle due soglie 67N-NC e 67N-NI secondo gli artt. C.4.2.6 e C.4.2.7 della norma CEI 0-16 seguendo la modalità di prova alternativa finalizzata alla sola verifica delle tarature previste dalla norma CEI 0-16.

7.LE TARATURE COMUNICATE DAL DSO

Il DSO (gestore della rete MT) comunica all'utente le tarature che il sistema SPG deve rispettare, per il POD assegnato. Le tarature possono essere anche scaricate dal portale WEB del DSO direttamente a cura dell'utente, con le sue credenziali di accesso (nome_utente e password) se questo si è preventivamente registrato sul portale del DSO. Di seguito si fornisce un esempio delle tarature tipiche di un utente MT.

51.S1 (I>) CEI 0-16

Soglia 51.S1 di massima corrente a tempo dipendente. I parametri K e alfa individuano il tipo di curva secondo la norma CEI EN60255-151 : NIT=normalmente inverso ; VIT=molto inverso ; EIT=estremamente inverso. Vedi anche la pagina "SPG SETUP" del cap. 6 precedente. Sono corrispondenti rispettivamente alle curve della norma IEC-255-3/BS142-A, IEC-255-3/BS142-B e IEC-255-3/BS142-C. Il parametro t_s o t_> indica il tempo di regolazione della soglia e I_s o I_> è la soglia di regolazione della corrente. I parametri di tempo e regolazione di corrente vanno impostati nella PG.

Ip o I-test è la corrente applicata alla PG dalla cassetta prova relè.

e-distribuzione fornisce per la 51.S1 un parametro beta che non compare nella norma CEI 0-16 e quindi non c'è completa conformità con la norma. Forse con beta si intende il tempo di regolazione della soglia (t_s o t_>).

La soglia 51.S1 può anche non essere attivata, come spiegato di seguito. Infine non viene indicato un tempo d'intervento del SPG perchè questo, essendo inversamente proporzionale alla corrente, dipende dalla corrente Ip o I-test che si inietta nella PG durante la prova.

51.S2 (I>>) CEI 0-16

Soglia 51.S2(s) a tempo indipendente con regolazione standard a 250 A e t.i. SPG pari a 0,5 s, che depurato del tempo di apertura del DG considerato pari a 70 ms, comporta una regolazione del ritardo d'intervento della PG di 0,43 s.

Qualora l'utente non possa o non voglia impostare la soglia 51.S1 (I>), ma il DSO comunica i competenti parametri di regolazione, allora bisogna impostare la soglia 51.S2(p) che normalmente ha una corrente di regolazione minore di 250 A e t.i. SPG di 0,5 s. Se il DSO lascia in bianco i parametri della soglia 51.S1 allora si procede con la regolazione standard della soglia 51.S2(s).

50.S3 (I>>>) CEI 0-16

Soglia 50.S3 a tempo indipendente con regolazione standard a 600 A e t.i. SPG pari a 0,12 s, che depurato del tempo di apertura del DG considerato pari a 70 ms, comporta una regolazione del ritardo d'intervento della PG di 0,05 s.

51N.S1 (Io>) CEI 0-16

Questa soglia a tempo indipendente deve essere attivata per le forniture MT che non prevedono per l'SPG la protezione direzionale di terra 67N. La regolazione standard è Io>=2 A e t.i. SPG pari a 0,45 s, che depurato del tempo di apertura del DG considerato pari a 70 ms, comporta una regolazione del ritardo d'intervento della PG di 0,38 s.

51N.S2 (Io>>) CEI 0-16

Questa soglia a tempo indipendente deve essere attivata per le forniture MT che vengono esercite con neutro compensato. La regolazione standard è Io>>=56 A e t.i. SPG pari a 0,17 s, che depurato del tempo di apertura del DG considerato pari a 70 ms, comporta una regolazione del ritardo d'intervento della PG di 0,1 s.

67N CEI 0-16

Secondo la norma CEI 0-16 la protezione 67N a tempo indipendente è richiesta solo se la rete di utente in cavo MT ha una lunghezza significativa : maggiore di 400 m per tensioni di linea U=20 kV e 530 m per tensioni di linea U=15 kV. La protezione direzionale di terra 67N–NI va attivata con questa sola soglia per gli impianti collegati a reti MT esercite a neutro isolato e con entrambe le soglie 67N–NI e 67N–NC per gli impianti collegati a reti MT esercite con neutro compensato.

I parametri standard di regolazione della soglia 67N–NI sono : Io=2 A e Vo=2% (2% di 100 V ovvero 173 V per U=15 kV) con settore angolare d'intervento da 60° a 120° e t.i. del SPG di 0,17 s, che depurato del tempo di apertura del DG considerato pari a 70 ms, comporta una regolazione del ritardo d'intervento della PG di 0,1 s.

I parametri standard di regolazione della soglia 67N–NC sono : Io=2 A e Vo=5% (5% di 100 V ovvero 433 V per U=15 kV) con settore angolare d'intervento da 60° a 250° e t.i. del SPG di 0,45 s, che depurato del tempo di apertura del DG considerato pari a 70 ms, comporta una regolazione del ritardo d'intervento della PG di 0,38 s.

8.PROVE DI UNA PG THYTRONIC NA60

Dopo aver illustrato le caratteristiche del progetto della cassetta prova relè insieme al SW di gestione, di seguito si riportano i risultati delle prove eseguite su una PG commerciale in cui sono state programmate le tarature standard secondo quanto detto nel cap.7 precedente.

TEST 51.S1

Con i parametri impostati nella PG : curva NIT ; t>=5 s ; I>=51 A per Ip=230 A (I-test) si ottiene t.i.=22,888 s.

I-MT (MISURATA)

INTERVENTO PG SOGLIA 51.S1

E' evidente la buona corrispondenza tra il t.i. calcolato (PAGINA SW "SPG SETUP") e il t.i. verificato con la cassetta prova relè in corrispondenza alla corrente di test iniettata nel primo ingresso amperometrico della PG.

TEST 51.S2

I-MT (MISURATA)

I parametri impostati nella PG : I>>=250 A ; t.i.=0,43 s.

PG SOGLIA 51.S2

TEST 50.S3

I-MT (MISURATA)

I parametri impostati nella PG : I>>>=600 A ; t.i.=0,05 s.

PG SOGLIA 50.S3

TEST 51N.S2

I-MT (RIPORTATA IN MT:TO 100/1)

I parametri impostati nella PG : Io>>=56 A ; t.i.=0,1 s.

PG SOGLIA 51N.S2 Io>>

TEST 67N-NI

PG SOGLIA 67N Io>

I parametri impostati nella PG per la soglia 67N-NI : Io>=2 A ; Vo=2 V ; t.i.=0,1 s ; settore angolare 60° - 120°. La prova viene fatta aumentando del +20% i valori delle soglie Io> e Vo per le grandezze generate dalla cassetta prova relè applicate contemporameamente alla PG. Lo sfasamento impostato è di Io> in ritardo di 90° rispetto a Vo.

In questa prova si verifica la correttezza del primo valore (60°) del settore angolare : si applicano contemporaneamente alla PG le grandezze Io> e Vo partendo con uno sfasamento iniziale di 50° aumentandolo quindi a passi di 1° fino a trovare il valore angolare dove interviene la PG. La stessa prova va ripetuta per il secondo valore angolare (120°), ma non vengono qui riportati i risultati della prova di scatto per non appesantire troppo l'articolo.

TEST 67N-NC

PG SOGLIA 67N Io>

I parametri impostati nella PG per la soglia 67N-NC : Io>=2 A ; Vo=5 V ; t.i.=0,38 s ; settore angolare 60° - 250°. La prova viene fatta aumentando del +20% i valori delle soglie Io> e Vo per le grandezze generate dalla cassetta prova relè applicate contemporameamente alla PG. Lo sfasamento impostato è di Io> in ritardo di 180° rispetto a Vo.

In questa prova si verifica la correttezza del secondo valore (250°) del settore angolare : si applicano contemporaneamente alla PG le grandezze Io> e Vo partendo con uno sfasamento iniziale di 255° diminuendolo quindi a passi di 1° fino a trovare il valore angolare dove interviene la PG. La stessa prova va ripetuta per il secondo valore angolare (120°), ma non vengono qui riportati i risultati della prova di scatto per non appesantire troppo l'articolo.

9.CONCLUSIONI

Spero di non aver annoiato troppo il lettore interessato all'argomento perchè lo scopo principale di questo lavoro è quello di stimolare lo spirito di sperimentazione che dovrebbe animare ogni appassionato di elettronica/elettrotecnica, o come si dice ora "maker" all'anglosassone oppure "smanettone" nel gergo italico. La proliferazione di schede a microcontrollore a basso costo insieme agli ambienti di sviluppo a oggetti (visuali) open source o dal costo accessibile, offrono ora opportunità di sperimentazione una volta impensabili. Con un laboratorio elettronico dotato di strumentazione elettronica basilare e un minimo di manualità nella realizzazione di circuiti elettronici è possibile costruire un'apparecchio come quello qui presentato.

RIFERIMENTI AI SW CITATI NELL'ARTICOLO

https://www.matrixtsl.com/flowcode/

https://www.electronic-software-shop.com/lng/en/electronic-software/profilab-expert-40.html