Innovative protection strategies for electrical faults in industrial plants

This thesis explores innovative solutions for electrical protection systems aimed to addressing key challenges in the design of substations for industrial plants. The study begins with a theoretical review of the applicable standards, instrument transformers selection, need of selective discrimination among protection relays, and phenomena related to short circuit faults and transient events like motor starting and transformer energization. To ensure a robust and practical discussion, several case studies are analysed. These were selected to represent common issues encountered in industrial facilities, such as missed operation by protection systems, different approach to busbar protection, and strategies to prevent unwanted trips during transformers energization in weak systems having low short-circuit power. The thesis also compares different protection strategies for low and medium voltage motor feeders, evaluating pros and cons. It includes the proper selection of current transformers (CTs) and voltage transformer for directional ground fault protection in the events with earth fault current with low magnitude. Finally, the coordination in low voltage system between fuses and other protection system and the comparison between fuse-contactor and circuit breaker-contactor scheme for the purpose of electrical safety verification. The analysis is supported by simulations in ETAP environment, providing, based on real substations industrial plant schemes, the validation of the proposed solutions.

Questa tesi esplora soluzioni intelligenti per i sistemi di protezione elettrica, con l’obiettivo di affrontare le principali sfide nella progettazione delle sottostazioni di impianti industriali. Lo studio inizia con una revisione teorica delle normative applicabili, della selezione dei trasduttori di misura e protezione, della necessita’ di coordinamento selettivo tra i rele’ di protezione, e dei fenomeni legati ai guasti di cortocircuito e ai fenomeni transitori come l’ avviamento dei motori e l’ energizzazione dei trasformatori. A supporto dell’ argomentazione tecnica, vengono analizzati diversi casi studio, scelti per rappresentare problematiche comuni riscontrate negli impianti industriali, come il mancato intervento dei sistemi di protezione, approcci differenti alla protezione delle sbarre e strategie per evitare scatti indesiderati durante l’energizzazione dei trasformatori in reti deboli aventi bassi valori di potenza di corto circuito. La tesi confronta inoltre diverse strategie di protezione per feeder motori in bassa e media tensione, valutandone vantaggi e svantaggi. Viene trattata anche la corretta selezione dei trasformatori di corrente (CT) e di tensione per le protezioni direzionali dei guasti a terra in presenza di correnti di guasto a terra di bassa entità. Viene poi discussa la coordinazione in bassa tensione tra contattori, interruttori e fusibili in bassa tensione. Infine si confronta l’adozione della combinazione contattore-fusibile e interruttore contattore in bassa tensione ai fini della verifica della sicurezza elettrica. L’analisi è supportata da simulazioni in ambiente ETAP che, insieme a schemi reali di impianti industriali, consentono la validazione delle soluzioni proposte.