Protezione per Impedenza per Motori: Rilevamento Sensibile dei Guasti Oltre la Sovracorrente
Protezione per Impedenza (21G / 21M) è un principio di relè di distanza applicato alla protezione del motore. Misura l'impedenza complessa (Z = V/I) ai terminali del motore per rilevare guasti all'interno della zona del motore, offrendo una sensibilità superiore per guasti ad alta impedenza (avvolgimento-terra, spira-spira) dove gli elementi basati sulla corrente (50/51) falliscono.
Principio Fondamentale
Impedenza del Motore Zmotor = Vterm / Iterm.
- Funzionamento Sano: Z ≈ Costante (Ls + Lr' + Rs + Rr'/s). Il locus sul diagramma R-X è prevedibile.
- Guasto Interno: Z cade drasticamente (cortocircuito) o sposta l'angolo (asimmetria).
- Guasto Esterno / Carico: Z rimane fuori dalla zona protetta (o si muove prevedibilmente lungo la linea di carico).
Perché Rileva Cosa la Sovracorrente Manca
| Tipo di Guasto | Risposta Sovracorrente (50/51) | Risposta Impedenza (21) |
|---|---|---|
| Guasto a Terra ad Alta Resistenza (HRGF) | Corrente < Intervento (es. 10A su motore 1000A). Mancato. | Z cade nella Zona 1 (Rguasto + Xmotore). Rilevato. |
| Cortocircuito Spira-Spira (Stessa Fase) | Piccolo ΔI (pochi %). Modello termico lento. Ritardato/Mancato. | Spostamento dell'angolo Z (R↓, X↓). Rilevamento Veloce. |
| Inter-spira dello Statore | Spesso invisibile al differenziale (87) se stesso CT. | Z₂ negativa (Z₂) cade. Rilevato tramite elemento Z₂. |
| Perdita di Campo (Motore Sincrono) | Corrente ↑ ma potrebbe non scattare 51. | Z oscilla nel quadrante capacitivo. Rilevato. |
Requisiti di Implementazione
- Ingressi di Tensione (VT/PT): Obbligatori. 3-Fasi V + Neutro (per Z₀).
- Ingressi di Corrente (CT): 3-Fasi (per calcolo Z₁, Z₂, Z₀).
- Relè: Relè di Protezione Motore (SEL-710, GE M60, Siemens 7UM, ABB REM615, Schweitzer).
- Impostazioni: Zona 1 (Istantaneo, 80-90% Zmotore), Zona 2 (Ritardo Temporale, Backup per Bus/Alimentatore). Caratteristica Mho o Quadrilaterale.
Vantaggi
- Alta Sensibilità: Rileva guasti al 1-5% dell'avvolgimento (vicino al neutro) dove 87/50 falliscono.
- Selettività: Zona 1 = Solo Motore. Zona 2 = Bus/Alimentatore di backup. Nessun ritardo di coordinamento per la Zona 1.
- Velocità: 1-2 cicli (Sub-ciclo con onda viaggiante). Più veloce del Modello Termico (49).
- Immunità all'Invasione del Carico: La caratteristica Quadrilaterale esclude la regione di impedenza di carico (Alta R, Bassa X).
Limitazioni
- Accuratezza CT/VT: Richiede CT e VT Classe 0.2/0.5S. Errore di rapporto → Errore di Z.
- Invasione del Carico (Carico Pesante): L'impedenza di carico a basso PF può entrare nella Zona 1 → Necessaria logica di Paraocchi/Invasione del Carico.
- Inrush all'Avvio: Z molto bassa durante l'avvio. Blocca l'elemento Impedenza durante l'Avvio (tramite contatto 52a o Interruttore di Velocità / Frequenza).
- Costo: VTs + Relè Avanzato > Semplice Relè 50/51/49/46.
Integrazione Moderna: Relè di Protezione Motore (MPR)
L'Impedenza (21) è un elemento in una suite completa MPR:
49 (Termico) + 50/51 (Sovracorrente Fase/Neutro) + 46 (Seq Negativa) + 50G/51G (Terra) + 21 (Impedenza) + 87 (Diff - grandi motori) + 66 (Avviamenti/ora) + RTD + Vibrazione.
Verdetto
Essenziale per: Grandi (>1000 HP / 750 kW), Media Tensione (2.3kV+), Processo Critico, Sistemi a Terra ad Alta Impedenza.
Eccessivo per: Piccoli Motori BT (<200 HP) su Sistemi a Terra Solido — Termico + OC + Terra sufficienti.