L elettrificazione ferroviaria in Italia dal 1900 al 2000

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1 Collegio Ingegneri Ferroviari Italiani Pomeriggio di Ingegneria Ferroviaria sulla TRAZIONE ELETTRICA L elettrificazione ferroviaria in Italia dal 1900 al 2000 Parte I Sintesi storica dello sviluppo Ing. Giuseppe Guidi Buffarini Roma, 17 aprile 2007

2 Perché elettrificare una ferrovia Vantaggi principali nel confronto con la trazione a vapore: 1-maggior rapporto potenza/peso locomotive; 2-assenza di fumo; 3-minore consumo energetico primario; 4-minore inquinamento; Energia elettrica ottenibile da fonti rinnovabili; 5-minori costi per manutenzione locomotive, per personale di condotta e per energia; 6-maggiori accelerazioni e quindi maggiori velocità commerciali a parità di velocità massima. Vantaggi presenti, tranne il 2 e il 3, anche nei confronti della trazione diesel. L elettrificazione comporta una forte spesa d investimento. Soglia di traffico di convenienza economica. 2

3 Catena di. montaggio di un sistema di trazione elettrica Comprende le seguenti operazioni sull energia elettrica: 1-acquisizione; 2-trasporto sino alle sottostazioni; 3-conversione, nelle sottostazioni, nella forma idonea all utilizzo da parte delle locomotive; 4-distribuzione alla linea di contatto; 5-captazione da parte delle locomotive e trasformazione in energia meccanica; 6- trasferimento dell energia meccanica agli assi delle locomotive. 3

4 Scelta del sistema di trazione elettrica più conveniente. Un sistema di trazione elettrica è individuato dalla forma e dal valore della tensione fornita al pantografo. La scelta del sistema più conveniente è legata alla compatibilità tra le soluzioni possibili ed ottimali relative alle singole operazioni. Nel corso del XX secolo il progresso tecnologico ha prodotto, per ciascuna operazione, un ampliamento delle soluzioni possibili ed ottimali ed una riduzione dei vincoli tecnici, talché il range delle scelte del sistema è variato e si è progressivamente ampliato. Ma spesso la scelta del sistema per una nuova elettrificazione è vincolata al sistema già adottato per le precedenti, anche se al momento il sistema non è più l ottimale. 4

5 Sviluppo linee totali ed elettrificate Sviluppo linee esercitate totali ed elettrificate km di linea km elettrificati km totali anno 5

6 Linee elettrificate:lunghezza % e traffico % rispetto ai totali Linee elettrificate: lunghezza % e traffico % rispetto al totale rete % lunghezza % traffico% Anno 6

7 Nascita della trazione elettrica ferroviaria in Italia Nel 1897 una Commissione governativa decise 4 esperimenti di trazione elettrica: - 2 di trazione ad accumulatori sulla Milano Monza e sulla Bologna S.Felice; - 1 di trazione a corrente continua sulle linee Varesine; - 1 di trazione in corrente trifase sulle linee della Valtellina. Scopo dichiarato: rendere meno costoso l esercizio di ferrovie a traffico limitato, pur soddisfacendo maggiormente alle esigenze del pubblico con la separazione del servizio viaggiatori da quello merci e con il maggior numero possibile di corse giornaliere. 7

8 Prospettive di un sistema di trazione a corrente continua, ai primi del 1900 Motore a corrente continua con caratteristiche di coppia ottimali per la trazione. Tensione massima ai motori 650 V, per motivi d isolamento e di difficoltà di commutazione. Tensione massima alle convertitrici ca/cc di sottostazione 650 V per gli stessi motivi. Preoccupazioni sulla resistenza e sull usura degli ingranaggi di riduzione di velocità, per potenze superiori ai 100 kw. Di conseguenza: sistema idoneo solo per carichi di trazione limitati. 8

9 L elettrificazione delle linee varesine (16 Ottobre 1901) Linee interessate: Milano-Gallarate (40 km d.b.) e Gallarate- Varese-Porto Ceresio (km 38 s.b.). Generazione dell energia: Centrale termoelettrica a Tornavento con 3 gruppi da 750 kw Trasporto dell energia: con linea trifase a V. Sottostazioni: n. 5 con convertitrici c.a./c.c. rotanti da 500 kw, 650 V. Linea di contatto: A terza rotaia. Materiale rotabile: Elettromotrici con 70 posti, 2 carrelli, ciascuno con 2 motori da 55 kw. Esercizio: Iniziato con 7 coppie giornaliere, passate subito dopo a 19. Attuato contemporaneamente un ribasso delle tariffe. 9

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14 Prospettive di un sistema di trazione trifase, ai primi del 1900 Pregi -Motore, asincrono a campo rotante con ottime caratteristiche di coppia, robusto ed affidabile. -Tensione massima oltre 3000 V, senza problemi d isolamento e di commutazione (potenzialità elevata del sistema). Difetti -Necessità di linea di contatto bipolare (complicazioni e limite di velocità). -Velocità fisse del convoglio, inizialmente soltanto 2. -Frequenza di alimentazione ridotta a 1/3 rispetto a quella industriale, per attuare una trasmissione diretta senza ingranaggi. 14

15 L elettrificazione delle linee della Valtellina (15 Ottobre 1902). Linee interessate: Lecco-Colico di km 39, Colico-Sondrio di km 41 e Colico-Chiavenna di km 27. Generazione dell energia: Impianto idroelettrico a Morbegno con 3 gruppi da 1000 kw, 15 Hz. Trasporto dell energia: linea trifase a V, sugli stessi pali in legno della LdC. Sottostazioni: n. 9, dotate di trasformatori V/3000 V da 450 kva. Linea di contatto: a 3000 V, bipolare con fili in rame da 50 mmq, sospensione trasversale. Materiale rotabile: Elettromotrici a 2 carrelli, ciascuno dotato di 2 motori da 150 HP, velocità 64 e 32 km/h; locomotori a 4 assi, ciascuno con motore da 250 HP, velocità unica 32 km/h. Esercizio: Notevole affidabilità e progressivo aumento del numero di corse e di viaggiatori. 15

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18 Scelta del sistema trifase per le successive elettrificazioni Dopo il 1905, per risolvere il problema della congestione del traffico merci dal porto di Genova causa forte acclività della linea, si decise l elettrificazione della linea dei Giovi. Tra i due sistemi sperimentati, il trifase era quello che forniva la potenzialità necessaria; inoltre consentiva il recupero, vantaggio importante per una linea acclive. Si scartò il monofase a frequenza ridotta per i problemi di commutazione del motore a collettore. I difetti del trifase (velocità fisse e LC bipolare) avevano poco peso per il traffico merci sui Giovi. 18

19 Lo sviluppo delle elettrificazioni con il sistema trifase Dal 1910 al 1930 elettrificati oltre 2000 km di linee. Principali linee: linea dei Giovi (1911); succursale dei Giovi ( ),Bussoleno-Bardonecchia-Modane( ), Sampierdarena - Savona( ), Torino-Bussoleno (1921), Torino-Alessandria- Ronco-Genova-La Spezia-Viareggio Livorno ( ), Bologna- Pistoia-Firenze (1927), Bolzano-Brennero ( ). Nel 1960 iniziarono le trasformazioni a 3 kv c.c. della rete trifase e furono completate nel Il 25 Maggio 1976 un treno speciale, l ultimo in trifase, trainato da 2 locomotori, da Alessandria raggiunse Acqui; dopo 2 ore, tolta la trifase e immessa sulla linea la corrente continua, lo stesso treno ripartì da Acqui per Alessandria trainato da un locomotore E

20 Gli impianti del sistema trifase: generazione e trasporto dell energia Centrali idroelettriche o termiche: impianto di Morbegno (1902); centrale termoelettrica della Chiappella a Genova (2 gruppi da 5000 kw, 1912); impianto idroelettrico di Bardonecchia (dighe del Melezet e del Rochemolles, gruppi 2x6000 kw +3x2000 kw, ). Stazioni di conversione dalla frequenza industriale alla frequenza ferroviaria: Bardonecchia (1915), trasformata in centrale nel ; stazione della Chiappella (1930) in sostituzione della centrale; sottocentrali a Bologna, Arquata, Collegno, Spigno Monferrato, Livorno, Mezzocorona. Trasporto dell energia: rete di linee primarie trifasi a 60 kv 16 2/3 Hz 20

21 Gli impianti del sistema trifase: sottostazioni e linea di contatto Sottostazioni: alimentate a 60 kv, distanziate di km, dotate di 2 o 3 gruppi di trasformazione da 500 kva. Linea di contatto: -sospensione di tipo trasversale per velocità massima di 50 km/h, campate di m; -sospensione longitudinale per velocità sino a 100 km/h, ma solo in piena linea allo scoperto; -palificazione: in genere in pali di acciaio tubolari; -fili di contatto dapprima 1 per fase da 50 mmq, poi 2 per fase da 100 mmq ciascuno. 21

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25 I nodi del sistema trifase vengono al pettine Alla fine degli anni 20 la convenienza della trazione elettrica anche per le linee a traffico pesante, intenso e veloce venne affermandosi in tutta Europa. In Italia si dovette prendere atto che il sistema trifase era inadeguato, a motivo delle velocità fisse e limitate a 100 km/h. Nel frattempo era possibile disporre di motori a c.c. per 1500 V e di ingranaggi affidabili anche per potenze elevate; e, con 2 motori in serie, pensare ad una trazione a 3 kv c.c. Restava il problema della conversione alternata/continua in sottostazione, ma 25

26 Nasce il sistema 3 kv c.c. Negli Stati Uniti era stata sviluppata una macchina statica, il raddrizzatore a vapori di mercurio, per la conversione da alternata a continua sino a tensioni di oltre 3000V; ed anche realizzato un interruttore (extrarapido) idoneo alla interruzione di correnti continue alla tensione di oltre 3000 V. Una Commissione di Studio delle FS, inviata in America, ritornò esprimendo parere favorevole al nuovo sistema. Nel 1928 fu sperimentata con successo l applicazione del sistema 3 kv c.c. alla linea Benevento Foggia. 26

27 Adozione del sistema 3kV c.c.: standards dimensionali Nel 1930 fu deciso il sistema 3 kv c.c. per tutte le elettrificazioni future, salvo alcuni completamenti in trifase. Lo standard dimensionale base fu stabilito per il nuovo sistema con lungimiranza e poté far fronte senza problemi alle esigenze del traffico per oltre 30 anni: -passo medio delle sottostazioni 40 km; -sottostazioni con 2 gruppi raddrizzatori a vapori di mercurio da 2000 kw in classe C (sovraccarico del 50% per 2 ore e del 200% per 5 minuti). -linea di contatto da 320 mmq: sospensione longitudinale con 2 fili di contatto da 100 mmq, con tiro regolato automaticamente, e una fune portante da 120 mmq. 27

28 Lo sviluppo delle elettrificazioni 3 kv c.c sino alla 2 a guerra mondiale A partire dal 1933 le elettrificazioni si svilupparono a ritmo molto intenso con picchi di oltre 800 km all anno, raggiungendo nel 1942 i 5500 km ed il 55% di traffico. Italia prima in Europa. Principali linee elettrificate nel periodo: l intera direttrice fondamentale Milano-Bologna-Prato-Firenze-Roma-Napoli- ReggioCalabria, la Bologna-Ancona, la Livorno-Roma, la Udine-Tarvisio, la Udine-Trieste, la Milano-Voghera, la Orte- Falconara, la Napoli-Benevento, la Bologna-Trento. Negli anni , con la guerra sul suolo italiano e gli intensi bombardamenti, gli impianti di trazione elettrica subirono un ingente distruzione talché alla fine dell esercizio le linee esercitate a trazione elettrica si ridussero a 2300 km. 28

29 Lo sviluppo delle elettrificazioni dopo la 2 a guerra mondiale Ripristinati tutti gli oltre 5500 km di linee elettrificate, nel decennio fu ripreso e completato il programma delle elettrificazioni delle linee della rete a maggior traffico: la Firenze-Pisa, la Messina-Palermo, la Messina-Catania-Siracusa, la Torino-Milano-Padova-Venezia-Trieste, la Bologna-Padova, la Ancona-Pescara-Foggia-Bari, la Pescara-Sulmona, la Piacenza-Voghera, la Gallarate-Luino-Pino, la Prato Lucca-Viareggio, la Castelbolognese-Ravenna, la Mestre-Udine. Alla fine dell esercizio i km di linee elettrificate erano saliti a 7950 con percentuale di traffico oltre l 83% del totale. Nei decenni successivi furono elettrificate, oltre le linee di nuova costruzione (tra cui la DD.ma Roma-Firenze) o raddoppiate (Roma-Napoli via Cassino) anche linee o tratti di linee a traffico meno intenso. Alla fine del 1998 la rete 3 kv c.c. aveva raggiunto l estensione di circa km di linee con un traffico pari al 95% del totale. 29