Protezione Fulminea per Reti HVDC: Il Segreto? Sta Tutto nell’Inviluppo Tangente!

Ciao a tutti, appassionati di tecnologia e futuro dell’energia! Oggi voglio parlarvi di una sfida davvero elettrizzante (in tutti i sensi!) che stiamo affrontando nel mondo delle reti elettriche moderne: come proteggere le nostre super-autostrade dell’energia, le reti HVDC basate su convertitori modulari multilivello (MMC). Immaginatele come il sistema circolatorio della nostra società energetica, vitale ma anche vulnerabile. E la sfida è renderle a prova di “infarto”, ovvero di cortocircuito, in tempi record!

La Sfida: Proteggere le Autostrade dell’Energia del Futuro

Le reti HVDC (High Voltage Direct Current) che usano la tecnologia MMC sono fantastiche. Ci permettono di trasportare enormi quantità di energia su lunghe distanze, integrare fonti rinnovabili come l’eolico offshore e interconnettere reti diverse. Sono potenti, affidabili, flessibili… insomma, il top! Ma c’è un “ma”. Quando si verifica un guasto, come un cortocircuito su una linea, le cose si complicano velocemente. Parliamo di millisecondi.

I convertitori MMC, il cuore pulsante di questi sistemi, sono potenti ma anche un po’ delicati: non sopportano sovracorrenti per molto tempo. Quindi, i sistemi di protezione devono essere dei veri fulmini: devono capire dov’è il guasto e isolarlo prima che sia troppo tardi, garantendo la sicurezza e la stabilità di tutta la rete.

Finora, le soluzioni si dividevano in due categorie principali:

• Protezioni “pilota” (pilot protections): Usano la comunicazione tra le estremità della linea. Sono precise, ma costose e soffrono di ritardi dovuti alla comunicazione stessa. Spesso finiscono per fare da “riserva”.
• Protezioni “non-unitarie” (non-unit protections): Non dipendono dalla comunicazione, quindi sono più veloci ed economiche. Spesso si basano sull’analisi delle “onde viaggianti” (traveling waves), segnali elettrici che si propagano lungo la linea quando avviene un guasto. Il problema? Molte di queste tecniche soffrono quando c’è una resistenza elevata nel punto di guasto (pensate a un cavo che cade su un albero invece che direttamente a terra). Questa resistenza “maschera” un po’ il guasto, rendendo difficile per la protezione capire se il problema è sulla linea che deve proteggere (guasto interno) o altrove (guasto esterno).

Insomma, serviva un’idea nuova, qualcosa che fosse veloce, affidabile e, soprattutto, se ne infischiasse della resistenza di guasto. Ed è qui che entriamo in gioco noi!

L’Idea Geniale: Analizzare la “Firma” dell’Onda di Guasto

Abbiamo iniziato a studiare in dettaglio le onde viaggianti, in particolare l’Onda Inversa Iniziale di Tensione di Guasto (IVRW – Initial Fault Voltage Reversal Wave). È come la prima eco che torna indietro dal punto del guasto. Abbiamo notato una cosa affascinante: la forma di quest’onda cambia in modo caratteristico a seconda di quanto è lontano il guasto. Più il guasto è vicino, più l’onda è “ripida”, “curva”. Più è lontano, o se l’onda deve attraversare componenti come i reattori limitatori di corrente (che mettiamo apposta per limitare le correnti di guasto), più l’onda si “appiattisce”, si distorce.

Ecco l’illuminazione: e se potessimo misurare questa “curvatura” o “distorsione” in modo preciso? Abbiamo pensato di usare un concetto geometrico: l’area dell’inviluppo tangente. Immaginate di tracciare due rette tangenti alla curva dell’onda in due punti specifici. Queste tangenti, insieme a un segmento che unisce i punti di tangenza, formano una specie di triangolo che “avvolge” una porzione della curva. Ora, calcoliamo due aree: l’area di questo triangolo (S) e l’area effettiva sotto la curva tra i due punti di tangenza (S’).

L’asso nella manica è il rapporto tra queste due aree (k = S’/S). Questo rapporto, che abbiamo chiamato “rapporto dell’area dell’inviluppo tangente”, è un numero che quantifica perfettamente quanto è “curva” l’onda. Se l’onda è molto ripida (guasto interno vicino), k si avvicina a 1. Se l’onda è più piatta (guasto interno lontano o guasto esterno), k diminuisce.

E la cosa più bella? Analizzando le formule matematiche (tranquilli, vi risparmio i dettagli!), abbiamo scoperto che nel calcolo del rapporto k, il termine relativo alla resistenza di guasto (Rf) si cancella! Questo significa che, in teoria, il nostro metodo è insensibile alla resistenza di guasto. Bingo!

Costruire lo Scudo Invisibile: Il Nostro Sistema di Protezione

Avere un’idea brillante è un conto, trasformarla in un sistema di protezione completo è un altro. Abbiamo dovuto mettere insieme diversi pezzi:

• Criterio di Avvio: Come capire che è successo qualcosa? Usiamo la velocità di variazione della tensione ai poli della linea. Se cambia troppo rapidamente, scatta l’allarme.
• Filtro Anti-Fulmine: I fulmini possono creare disturbi simili ai guasti. Abbiamo sviluppato un criterio che analizza la durata e la polarità delle correnti per distinguere un fulmine da un cortocircuito vero e proprio. I fulmini sono impulsi brevi, i guasti durano di più.
• Identificazione dell’Area di Guasto: Qui entra in gioco il nostro rapporto k. Calcoliamo il valore massimo di k (kmax) in una piccola finestra temporale dopo l’avvio. Se kmax supera una soglia predefinita (kset), significa che l’onda è abbastanza “curva”, quindi il guasto è interno alla linea protetta. Altrimenti, è esterno. E la soglia kset? Non serve determinarla con mille simulazioni, si può calcolare teoricamente!
• Identificazione del Polo Guasto: Dobbiamo anche capire se il guasto coinvolge il polo positivo, negativo o entrambi. Lo facciamo analizzando quale polo ha subito la variazione di tensione maggiore.
• Criterio Ausiliario: Per i guasti molto vicini all’inizio o alla fine della linea, l’onda IVRW è brevissima e il calcolo di k potrebbe essere difficile. In questi casi, usiamo un criterio ausiliario basato sulla rapidità di variazione della tensione, che funziona bene per queste situazioni limite.

Il risultato è uno schema di protezione completo, veloce (parliamo di un tempo di intervento totale inferiore ai 3 millisecondi!) e robusto.

La Prova del Nove: Le Simulazioni

Ovviamente, non ci siamo fidati solo della teoria. Abbiamo costruito un modello dettagliato di una rete MMC-HVDC a quattro terminali nel software di simulazione PSCAD/EMTDC e l’abbiamo messo alla prova in tantissimi scenari: guasti in punti diversi della linea, guasti esterni, diversi tipi di guasto (polo-terra, polo-polo), e soprattutto, diverse resistenze di guasto, da valori bassissimi fino a 600 Ω e oltre (abbiamo testato fino a 1500 Ω!).

I risultati? Fantastici!

• Il nostro metodo distingue correttamente i guasti interni da quelli esterni in tutte le condizioni testate.
• La resistenza di guasto ha un impatto minimo o nullo sul valore di kmax, confermando la robustezza teorica. Il sistema funziona alla grande anche con resistenze di 1500 Ω!
• Il sistema identifica correttamente il polo guasto.
• Il criterio ausiliario copre efficacemente i guasti alle estremità della linea.
• Il filtro anti-fulmine funziona a dovere.
• Abbiamo anche aggiunto del “rumore” ai segnali simulati (fino a un rapporto segnale/rumore di 30 dB) e il sistema ha continuato a funzionare in modo affidabile.
• Abbiamo verificato che funziona anche con “confini deboli”, cioè con reattori limitatori di corrente più piccoli (fino a 50 mH), rendendolo applicabile a una vasta gamma di configurazioni di rete.

Perché è Importante? Un Passo Avanti per le Reti del Futuro

Confrontando il nostro approccio con altri metodi di protezione non-unitaria esistenti, vediamo dei vantaggi notevoli. Molti metodi attuali lottano con le alte resistenze di guasto, dipendono da complesse analisi tempo-frequenza, necessitano di “confini forti” (grandi reattori) o richiedono la taratura delle soglie tramite simulazioni specifiche per ogni rete.

Il nostro metodo basato sul rapporto dell’area dell’inviluppo tangente IVRW sembra superare molti di questi limiti:

• Resistenza ai guasti elevata: Praticamente insensibile alla resistenza di guasto.
• Robustezza al rumore: Buona tolleranza alle interferenze.
• Indipendenza dai confini forti: Funziona anche con reattori più piccoli.
• Nessuna taratura via simulazione: La soglia è definibile teoricamente, rendendolo più adattabile.
• Velocità: Azione in meno di 3 ms.

Questo non è solo un esercizio accademico. Avere sistemi di protezione più rapidi, affidabili e adattabili è fondamentale per garantire la stabilità delle reti elettriche del futuro, sempre più complesse e basate su elettronica di potenza e fonti rinnovabili intermittenti. È un piccolo, ma speriamo significativo, passo verso un futuro energetico più sicuro e resiliente.

Il prossimo passo? Testare il tutto su simulatori in tempo reale (RTDS) per una verifica ancora più vicina alla realtà. Ma siamo davvero entusiasti del potenziale di questa tecnica! Continuate a seguirci per scoprire i prossimi sviluppi nel rendere le nostre reti elettriche a prova di futuro!

Fonte: Springer