Nelle sottostazioni, il sistema in corrente continua fornisce un'alimentazione di controllo affidabile per relè di protezione, operazioni di apertura e chiusura degli interruttori, apparecchiature di automazione, circuiti di segnalazione e carichi di emergenza. Rispetto ai sistemi di alimentazione ausiliaria in corrente alternata, i sistemi in corrente continua delle sottostazioni sono generalmente progettati come sistemi non a terra o flottanti. Pertanto, un singolo guasto a terra potrebbe non interrompere immediatamente l'alimentazione in corrente continua, ma riduce il margine di isolamento del sistema. Se si verifica un secondo guasto a terra, può creare un percorso di corrente indesiderato e potenzialmente causare malfunzionamenti della protezione, guasti dell'interruttore o persino un disturbo più ampio del sistema.
Con il continuo sviluppo delle sottostazioni intelligenti, delle sottostazioni digitali, dell'integrazione delle energie rinnovabili e delle moderne reti elettriche, l'affidabilità dei sistemi DC delle sottostazioni e le loro capacità di monitoraggio dell'isolamento online sono diventate sempre più importanti per le utility, gli appaltatori EPC e gli acquirenti internazionali di apparecchiature elettriche.
Cos'è un guasto a terra in una sottostazionen DC Systempo?
A guasto a terra del sistema DC della sottostazione , noto anche come Guasto a terra in corrente continua oGuasto di isolamento in corrente continua, si verifica quando il polo positivo o negativo del sistema in corrente continua sviluppa un percorso conduttivo non intenzionale verso terra a causa del deterioramento dell'isolamento, di danni alle apparecchiature, dell'umidità o di altre cause.
Un tipico sistema in corrente continua di una sottostazione è composto da:
- Banco di batterie
- Caricabatterie
- Sbarre in corrente continua
- Quadri di distribuzione in corrente continua
- Circuiti di alimentazione in corrente continua
- Apparecchiature di protezione e controllo
In condizioni operative normali, sia il polo positivo che quello negativo devono mantenere un'adeguata resistenza di isolamento verso terra.
Le cause comuni dei guasti a terra in corrente continua includono:
- Cavi secondari invecchiati o danneggiati
- Umidità o accumulo di acqua nelle trincee dei cavi
- Condensa all'interno dei quadri di controllo
- Deterioramento dell'isolamento nei circuiti dei relè o degli interruttori
- Danni meccanici ai cavi durante l'installazione
- Guasto interno dell'isolamento delle apparecchiature elettriche
- Polvere e contaminazione
- Piccoli animali o oggetti metallici estranei che entrano nelle apparecchiature
Poiché un sistema in corrente continua di una sottostazione può contenere un gran numero di linee di distribuzione distribuite e lunghi cavi secondari, il rilevamento e la localizzazione dei guasti a terra in corrente continua può essere considerevolmente più complicato della ricerca dei guasti in un circuito di controllo convenzionale a bassa tensione.
Perché un guasto a terra in corrente continua dovrebbe essere localizzato prontamente?
Un singolo guasto a terra non causa necessariamente una perdita immediata di alimentazione in corrente continua. Tuttavia, modifica la distribuzione della tensione del sistema in corrente continua rispetto alla terra e riduce il margine di sicurezza del sistema.
Ad esempio, se il polo positivo va a terra, la tensione del polo negativo rispetto alla terra può spostarsi in modo significativo. Se successivamente si sviluppa un altro guasto a terra altrove nel sistema, può crearsi un percorso di corrente indesiderato dal positivo al negativo.
Le potenziali conseguenze includono:
- Funzionamento errato dei relè di protezione
- Funzionamento anomalo degli interruttori automatici
- Mancata apertura o chiusura degli interruttori automatici
- Malfunzionamento delle apparecchiature di automazione
- Funzionamento indesiderato dei fusibili o degli interruttori automatici in corrente continua
- Nei casi più gravi, ridotta capacità di rispondere ai guasti e alle emergenze della sottostazione
Per questo motivo, una volta che un guasto di isolamento del sistema in corrente continua viene rilevato, la polarità del guasto, l'alimentatore interessato e la posizione specifica del guasto dovrebbero essere identificati il prima possibile.
Metodi generali per localizzare un guasto a terra in corrente continua di una sottostazione
1. Confermare l'allarme di guasto a terra e le condizioni del sistema
Quando il pannello in corrente continua, il dispositivo di monitoraggio dell'isolamento o il sistema di supervisione emette un allarme di guasto a terra, il primo passo è verificare le condizioni operative complessive del sistema in corrente continua.
I parametri importanti includono:
- Tensione del sistema CC
- Tensione polo positivo verso terra
- Tensione polo negativo verso terra
- Resistenza di isolamento
- Stato del dispositivo di monitoraggio dell'isolamento
- Polarità del guasto
- Se il guasto è continuo o intermittente
- Se possono esistere più guasti a terra
Moderni Dispositivi di monitoraggio dell'isolamento CC (IMD)monitorano continuamente la resistenza di isolamento verso terra nei sistemi CC non messi a terra. La norma IEC 61557-8 specifica i requisiti per i dispositivi di monitoraggio dell'isolamento utilizzati per i sistemi IT CC non messi a terra fino a 1.500 V CC.
2. Determinare la polarità e la gravità del guasto
Dopo aver confermato l'allarme, i tecnici devono determinare se il deterioramento dell'isolamento è principalmente associato al polo positivo o negativo.
Devono essere valutati i seguenti parametri:
Condizione di isolamento positivo verso terra
Condizione di isolamento negativo verso terra
Tensione del bus CC
Resistenza di isolamento complessiva
Se la resistenza di isolamento di un polo è significativamente inferiore al previsto, è più probabile che il guasto sia associato ai circuiti collegati a quel polo.
Tuttavia, il metodo diagnostico esatto dipende dalla configurazione del sistema CC e dal progetto del dispositivo di monitoraggio dell'isolamento. Una singola misurazione della tensione non deve essere utilizzata come unica base per determinare la posizione esatta del guasto.
3. Controllare i circuiti di alimentazione CC sezione per sezione
Se il guasto non può essere localizzato direttamente, un principio comune di risoluzione dei problemi è:
Iniziare dal bus DC, poi controllare gli alimentatori, i circuiti derivati e infine le singole apparecchiature.
Una sequenza tipica di risoluzione dei problemi è:
Bus DC → quadro di distribuzione DC → singoli alimentatori DC → armadi di protezione/controllo → scatole di derivazione → apparecchiature in campo
Isolando progressivamente sezioni del sistema, i tecnici possono ridurre una complessa rete DC a un'area di sospetto guasto molto più piccola.
Durante questo processo, gli operatori devono seguire rigorosamente le procedure di commutazione approvate.I circuiti di protezione critici, i circuiti di controllo degli interruttori automatici o gli alimentatori DC essenziali non devono mai essere scollegati arbitrariamente solo per localizzare un guasto a terra.
4. Utilizzare il monitoraggio dell'isolamento online e la localizzazione dei guastiApparecchiature
Per le grandi sottostazioni, controllare manualmente ogni alimentatore può richiedere molto tempo. Di conseguenza, le sottostazioni moderne utilizzano sempre più spessosistemi online di monitoraggio dell'isolamento e di localizzazione dei guasti di isolamento.
Un avanzato sistema di rilevamento e localizzazione dei guasti a terra in corrente continua può monitorare lo stato di isolamento dei singoli feeder e aiutare a identificare il circuito associato al guasto di isolamento.
IEC 61557-9:2023 specifica i requisiti per i sistemi di localizzazione dei guasti di isolamento (IFLS) progettati per localizzare i guasti di isolamento nei sistemi IT non messi a terra, inclusi i sistemi in corrente continua non messi a terra fino a 1.500 V CC.
La tecnologia consente quindi al sistema di protezione di evolvere dalla semplice rilevazione di un guasto di isolamento a alla rilevazione, localizzazione, registrazione e analisi del guasto.
5. Ispezionare l’apparecchiatura di campo dopo aver circoscritto l’area del guasto
Una volta identificato l’alimentatore o il circuito interessato, i tecnici possono ispezionare componenti specifici, tra cui:
- Cavi e giunti dei cavi
- Morsettiere
- Relè di protezione
- Bobine di sgancio e di chiusura degli interruttori automatici
- Interruttori di comando
- Dispositivi di segnalazione
- Riscaldatori anticondensa
- Scatole di derivazione
- Cablaggio secondario esterno
- Trincee per cavi e terminazioni dei cavi
Per le sottostazioni esterne, occorre prestare particolare attenzione a acqua piovana, condensa, umidità, polvere, contaminazione e intrusione di animali, tutti fattori che possono contribuire al deterioramento dell'isolamento.
Risoluzione dei problemi tradizionale vs. localizzazione intelligente dei guasti
Tradizionale risoluzione dei problemi di guasto a terra del DC nella sottostazione si basa principalmente su un allarme di isolamento seguito da un'ispezione manuale alimentatore per alimentatore.
Questo approccio ha un costo delle apparecchiature relativamente basso, ma presenta due limitazioni principali.
In primo luogo, la localizzazione del guasto può richiedere molto tempo.
Quando una sottostazione ha un gran numero di alimentatori in corrente continua, i tecnici potrebbero dover controllare più circuiti in sequenza.
In secondo luogo, la risoluzione dei problemi dipende fortemente dall'esperienza dell'operatore.
I guasti intermittenti possono essere particolarmente difficili da localizzare. Ad esempio, un guasto di isolamento causato dall'umidità può scomparire dopo che l'apparecchiatura si asciuga e ripresentarsi quando l'umidità aumenta.
Per questo motivo, le sottostazioni moderne stanno adottando sempre più sistemi di monitoraggio online dell'isolamento, monitoraggio dell'isolamento dei rami e sistemi automatici di localizzazione dei guasti.
Il processo operativo di base può essere riassunto come:
Monitoraggio dell'isolamento → Allarme guasto a terra → Identificazione della polarità del guasto → Localizzazione dell'alimentatore → Ispezione del punto di guasto → Eliminazione del guasto → Verifica del ripristino dell'isolamento
Per grandi sottostazioni, centrali elettriche, data center e strutture industriali critiche, questo approccio può migliorare significativamente l'efficienza nella risoluzione dei problemi e l'affidabilità del sistema in corrente continua.
Considerazioni importanti durante la risoluzione dei guasti a terra in corrente continua
1. Non scollegare arbitrariamente i circuiti critici
I relè di protezione, i circuiti di controllo degli interruttori, i sistemi di automazione e altre apparecchiature critiche possono dipendere dall'alimentazione in corrente continua della stazione.
Scollegare in modo errato un feeder essenziale durante la ricerca guasti può rendere indisponibili le funzioni di protezione o di controllo.
Tutte le operazioni di manovra devono pertanto essere eseguite secondo procedure di manovra approvate, gli schemi unifilari e di cablaggio secondario della sottostazione e le istruzioni del costruttore dell'apparecchiatura.
2. Prestare attenzione al rischio di guasti multipli a terra
Un singolo guasto a terra può non causare immediatamente un problema operativo grave. Tuttavia, un secondo guasto a terra può creare un percorso di corrente indesiderato e influire sui circuiti di protezione e di controllo.
Pertanto, una volta rilevato il primo guasto a terra, non lo si deve considerare semplicemente un allarme minore. La causa deve essere identificata e la condizione di isolamento ripristinata il prima possibile.
3. Dare priorità al monitoraggio online per gli impianti critici
Per grandi sottostazioni, centrali elettriche, data center e impianti industriali critici,il monitoraggio online dell'isolamento e la localizzazione dei guastidovrebbero preferibilmente essere considerati durante la fase di progettazione del sistema CC.
Tali sistemi possono fornire una localizzazione più rapida dei guasti e dati storici per la manutenzione preventiva e la manutenzione basata sulle condizioni.
Tendenze nella tecnologia dei sistemi CC per sottostazioni
Con lo sviluppo delle sottostazioni digitali, i sistemi CC si stanno evolvendo da apparecchiature di alimentazione convenzionali a una parte importante dell'architettura di monitoraggio e affidabilità delle sottostazioni intelligenti..
Le futuresoluzioni di monitoraggio dei sistemi CCsi prevede che si integreranno più strettamente con SCADA, piattaforme per sottostazioni digitali e sistemi intelligenti di gestione degli asset.
Le funzioni principali possono includere:
- Monitoraggio online dell'isolamento
- Localizzazione automatica dei guasti
- Registrazione dei dati storici
- Analisi delle tendenze
- Avviso precoce
- Monitoraggio remoto
- Manutenzione basata sulle condizioni
Il più recente quadro normativo IEC dimostra inoltre la crescente attenzione verso le tecnologie dedicate al monitoraggio dell'isolamento e alla localizzazione dei guasti. La norma IEC 61557-8 riguarda il monitoraggio continuo dell'isolamento, mentre la IEC 61557-9 riguarda la localizzazione dei guasti di isolamento nei sistemi IT non messi a terra.
Per gli acquirenti internazionali B2B, la scelta di un sistema DC per sottostazioni dovrebbe quindi considerare non solo parametri tradizionali come Configurazione della tensione CC, della capacità della batteria, della capacità del caricabatterie e della distribuzione CC, ma anche il monitoraggio dell'isolamento, la capacità di localizzazione dei guasti, le interfacce di comunicazione e la compatibilità con i sistemi SCADA o di automazione delle sottostazioni.
Conclusione
Il principio fondamentale della risoluzione dei guasti a terra del sistema CC della sottostazione consiste nel restringere progressivamente il guasto attraverso monitoraggio, identificazione, isolamento sezionale, localizzazione e verifica.
La risoluzione manuale tradizionale dei problemi può essere adatta a sistemi CC più piccoli. Per grandi sottostazioni, centrali elettriche, data center e altre installazioni elettriche critiche, tuttavia, i sistemi di monitoraggio dell'isolamento CC e i sistemi di rilevamento e localizzazione dei guasti a terra CC possono fornire una soluzione più efficiente e sistematica.
Dal punto di vista della produzione delle apparecchiature e delle applicazioni ingegneristiche, il Quadro di distribuzione in corrente continua, caricabatterie, banco batterie, dispositivo di monitoraggio dell'isolamento e sistema di alimentazione in corrente continua deve essere progettato come un sistema integrato in base al livello di tensione del progetto, alle caratteristiche del carico, ai requisiti di protezione e all'architettura di comunicazione.
Con il continuo sviluppo delle sottostazioni intelligenti e dei sistemi di alimentazione digitali, il monitoraggio online dell'isolamento e la localizzazione intelligente dei guasti in corrente continua diventeranno tecnologie sempre più importanti per migliorare la sicurezza, l'affidabilità e la manutenibilità dei sistemi in corrente continua delle sottostazioni.
Nota sulla sicurezza: I sistemi in corrente continua delle sottostazioni alimentano funzioni critiche di protezione e controllo degli interruttori automatici. Le effettive operazioni di risoluzione dei problemi e di commutazione devono essere eseguite da personale qualificato in conformità con le procedure di sicurezza del sito, gli schemi elettrici approvati, le istruzioni operative e i requisiti del produttore dell'apparecchiatura. Questo articolo è destinato a riferimento tecnico e ingegneristico e non sostituisce le procedure operative specifiche del sito.
