INFLUENZA DEI PARAMETRI DI SISMICITÀ SULL ANALISI AFFIDABILISTICA DELLA RETE DI TRASMISSIONE ELETTRICA: APPLICAZIONE AD UN CASO STUDIO

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1 F. Bettinali (1), A. Rasulo (2), I. Vanzi (3), S. Imperatore (2) e S. Evangelista (2) (1) Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano Giacinto Motta S.p.A., Milano (2) Università degli Studi di Cassino, DiMSAT, Cassino (FR) (3) Università degli Studi di Chieti, PRICOS, Pescara INFLUENZA DEI PARAMETRI DI SISMICITÀ SULL ANALISI AFFIDABILISTICA DELLA RETE DI TRASMISSIONE ELETTRICA: APPLICAZIONE AD UN CASO STUDIO Riassunto. Nel corso dell ultimo anno gli ingredienti base per la determinazione della pericolosità sismica del territorio italiano sono stati oggetto di una profonda revisione da parte dell Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV, 2003). In particolare, a seguito di una rivisitazione della zonazione sismogentica e di una ricompilazione del catalogo sismico, sono state individuate differenti possibilità per la completezza del catalogo, per le massime magnitudo attese, per le possibili leggi di attenuazione da usare. Queste possibilità sono state combinate fra loro secondo uno schema ad albero logico, al fine di produrre diverse carte di pericolosità di supporto alla riclassificazione sismica del territorio nazionale. La ricerca qui presentata si pone a valle del lavoro condotto dall INGV e si prefigge l obiettivo di esplorare gli effetti di ciascuna delle possibilità, individuate come ramo all interno dell albero logico INGV, sull analisi di affidabilità della rete di trasmissione elettrica, al fine di valutare come l incertezza sulle diverse condizioni in cui è condotta l analisi si propaghi ai risultati delle stesse. Lo strumento di indagine impiegato è il programma ASKxELP, recentemente aggiornato. L analisi esplorativa è stata condotta su di un caso studio: la rete elettrica ad alta e media tensione in Sicilia. INFLUENCE OF SEISMIC PARAMETERS ON RELIABILITY ANALYSIS OF ELECTRIC NETWORKS: APPLICATION TO A STUDY CASE Abstract. In the last year the basic elements used for assess the seismic risk of Italian territory have been subject to a deep revision by the National Institute of Geophysics and Vulcanology (INGV, 2003). In particular, following a reshaping of seismogenetic zonation and a recompilation of seismic catalogue, several options for the catalogue s completeness, the maximum expected intensities and the different attenuation lows to be applied. Those possibilities are combined in a logic tree, aimed at produce some maps of seismic hazard on Italian peninsula. This present research follows the INGV work and its goal is to explore the effects of each possibility, identified as branch inside INGV logic tree, on reliability analysis of electric networks, in order to assess how the uncertainty on the various input conditions of the analysis can influence the results. The program used for this paper is ASKxELP as recently updated. The analysis explores a case study: the high and medium tension electric power network in Sicily. INTRODUZIONE La vulnerabilità sismica delle reti elettriche è un problema messo in luce da recenti eventi sismici a livello internazionale (come ad es. Northridge, 1994; Izmit, 1999). Sebbene non siano disponibili al pubblico rapporti di danno per quel che riguarda il sistema elettrico Italiano, si ha tuttavia notizia che gli eventi sismici che hanno periodicamente interessato il territorio nazionale (Friuli 1976, Irpinia 1980, Marche e Umbria 1998, Basilicata 2000) hanno avuto delle ripercussioni anche sul sistema elettrico. In genere i danni prodotti dagli eventi sismici sono localizzati nelle sottostazioni elettriche, dove è presente una serie di apparecchiature destinate alla misura, alla trasformazione ed al dispacciamento del flusso elettrico. Si tratta, nella maggior parte dei casi, di strutture a mensola in porcellana

2 riempita di olio, anche se i modelli più recenti sono in plastica fibro-rinforzata e utilizzano, come fluido isolante, gas. In Fig. 1 è riportato il collasso di una di queste apparecchiature a seguito del terremoto di Izmit, Turchia. Fig. 1 - Collasso di un interruttore nella sottostazione di Adapazari in Turchia a seguito del terremoto di Izmit (1999) the Regents of the University of California and the National Information Service for Earthquake Engineering. VALUTAZIONE DEI DATI DI SISMICITÀ Il gruppo di lavoro dell'ingv, nella predisposizione delle mappe di pericolosità sismica del territorio nazionale, ha preso in considerazione uno schema di albero logico, i cui rami costituiscono diverse possibili scelte di indirizzo. A ciascuna di queste scelte è stato attribuito un peso, misura delle incertezze di carattere epistemico associate. In Fig. 2 è riportata la struttura presa in considerazione. Fig. 2 - Albero logico e relativi pesi utilizzati per la valutazione dell accelerazione massima. (INGV, 2004).

3 Il primo passo effettuato dal Gruppo di Lavoro INGV è stato la definizione delle classi di magnitudo e, quindi, la determinazione degli intervalli di completezza. Poiché il catalogo raccoglie magnitudo sia strumentali che non, si è scelto di definire due insiemi, uno degli intervalli di completezza prevalentemente storici (CO-04.2) ed uno degli intervalli di completezza prevalentemente strumentali (CO-04.4). Per scongiurare la probabilità che si possano verificare eventi di intensità superiore alla massima stimata nel periodo di tempo prestabilito, a ciascun insieme di intervalli di completezza ne sono associati due di magnitudo massima, uno osservato (Mmax1) ed uno più cautelativo (Mmax2). Anche per i tassi di sismicità, si è proceduto considerando due possibilità: gli Activity rates (AR) rappresentativi dei tassi individuali in ciascuna classe di magnitudo, oppure adottando l'approccio classico che prevede una regressione su tutta l'estensione in magitudo del catalogo secondo la legge di Gutemberg e Richter troncata (GR). Inoltre per analizzare il contributo della pericolosità sismica fornito da ciascuna zona sismogenetica, sono state prese in considerazione diverse relazioni di attenuazioni del moto del suolo. In questo modo si esprimono le modalità di propagazione delle onde sismiche in un sito di determinate caratteristiche geomorfologiche. Le relazioni di attenuazione prese in considerazione sono quelle più frequentemente utilizzate in ambito europeo: la legge di Ambraseys (1995), di Ambraseys et al. (1996), ricavate da alcune centinaia di dati accelerometrici europei. PROCEDURA DI ANALISI Il programma ASKxELP (Assessment of Seismic risk for ELectric Power networks), sviluppato a partire dal 1994 da Ivo Vanzi (Vanzi, 1995, 1996; Nuti e Vanzi, 2002) e recentemente aggiornato nell ambito di una convenzione di ricerca fra l Università degli Studi di Chieti e il Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano Giacinto Motta S.p.A. (Milano), rappresenta lo stato dell arte di riferimento per l analisi affidabilistica delle reti elettriche sotto azione sismica. Il programma di calcolo è basato su una procedura Monte Carlo, che provvede, per ogni generazione casuale di un sisma all interno di una zona sismogenetica, a condurre un analisi di scenario in cui gli effetti del sisma vengono attenuati alle sottostazioni ed ai centri abitati, in modo da valutare gli aspetti socio-economici di un eventuale black-out (Fig. 3). Ciascuna analisi prevede in sequenza: la valutazione di eventuali danni alle apparecchiature elettriche sulla scorta di curve di fragilità, la propagazione di cortocircuiti all interno della sottostazione a seguito del collasso delle apparecchiature ed, infine, un analisi di flusso sulla rete in condizioni post-sismiche, al fine di valutare le condizioni di fornitura elettrica alla popolazione. In Fig. 4 è raffigurata l interconnessione fra apparecchiature elettriche all interno della tipica sottostazione elettrica, così come presa in considerazione dal programma ASKxELP. È possibile osservare una linea legata all autotrasformatore, dove avviene la trasformazione di voltaggio della corrente e dove vanno a connettersi le linee entranti ed uscenti, nonché i vari apparecchi di protezione, regolazione e misura del flusso elettrico.

4 Fig. 3 - Attenuazione dell input sismico dalla sorgente ai punti critici della rete. In ciascuna sottostazione elettrica viene fornito l intero spettro di risposta, al fine di valutare attraverso curve di fragilità, lo stato delle apparecchiature elettriche presenti. Fig. 4 - Schema di una sottostazione di trasformazione-distribuzione. Poiché il numero di tutti i componenti della sottostazione è sufficientemente grande per fare analisi separate su ciascuno di loro, si è scelto di eseguire le analisi per gruppi di componenti, detti macrocomponenti, configurati in modo da soddisfare le seguenti condizioni: Il raggruppamento deve essere tale da preservare tutte le funzioni che i singoli elementi hanno nella stazione; La vulnerabilità dei sottosistemi deriva univocamente dai suoi componenti. Il collasso di un elemento costituente un macrocomponente produce un cortocorcuito. Il funzionamento dei dispositivi di protezione e l interdipendenza dei cortocircuiti e l isolamento della stazione di una rete è esemplificato in Fig. 5, dove è illustrato la logica di propagazione dei corto-circuiti in caso di interruzione di servizio delle varie apparecchiature a seguito di sisma. In particolare è possibile notare che il corto circuito che ha origine nella sottostazione C si propaghi fino alla sottostazione A, dal momento che l interruttore sulle linee di sinistra della stazione C non è in grado di deviare il flusso elettrico.

5 Il ruolo chiave sviluppato dal sistema di alimentazione elettrica per la protezione è chiaro: il suo malfunzionamento implica l incapacità per l intera stazione di isolare il corto circuito. Quando si sviluppa un cortocircuito, esso si diffonde a tutti gli altri elementi finché si attiva un interruttore che isola l intero sistema. Ciò può provocare anche la disconessione di elementi che lavorano correttamente. Fig. 5 - Logica di propagazione di un cortocircuito. Dal punto di vista della vulnerabilità, una stazione è un sistema costituito dal macroelementi vulnerabili ed interconnessi tra loro, la cui rottura si può assumere come un evento indipendente. Per questi macrocomponenti sono state definite curve di fragilità tenendo in conto le incertezze sia sulle proprietà meccaniche sia sull input dinamico. La probabilità di collasso è stata determinata mediante integrazione numerica, attraverso il confronto, in termini probabilistici, fra domanda e capacità, utilizzando come variabile principale l ordinata spettrale del primo modo di vibrazione di ciascuna apparecchiatura, sulla scorta della procedura messa a punto per le normative SAC (Cornell et al., 2002; Vanzi et al., 2005). Alcuni esempi di curve di fragilità sono illustrate in Fig. 6. Nell ambito della convenzione CESI/UniCH anche il il modulo di input sismico del programma ASKxELP è stato aggiornato in modo che fosse compatibile con le nuove leggi di attenuazione (del tipo Bommer et al., 2003) e con le curve di fragilità costruite secondo il metodo SAC. La versione aggiornata di ASKxELP, con il manuale utente e le condizioni per usufruire della licenza personale, sono disponibili all indirizzo o contattando il responsabile scientifico della convenzione ( i.vanzi@unich.it).

6 Coil Bearing Switch TA TV Vertical Section Switches Horizontal Section Switches Discharger Bar Bearing Autotrasformator Box Power Supply to Protections 0.6 probability PGA (g) Fig. 6 - Fragilità dei macrocomponenti. APPLICAZIONE AL CASO STUDIO Come caso studio è stata scelta la rete elettrica ad alta e media tensione in Sicilia. In Fig. 7 è riportata la zonazione sismica del territorio calabro-siciliano, presa in considerazione nell analisi, mentre in Fig. 8 è schematizzata la rete. Fig. 7 - Zonazione sismogenetica nel territorio calabro-siciliano.

7 Fig. 8 - Schema della rete ad alta (HT), media (MT) e bassa (LT) tensione in Sicilia. Per uniformità con le carte di pericolosità del territorio nazionale si è ipotizzato che tutte le sottostazioni elettriche fossero situate su suoli di tipo rigido. I periodi di ritorno considerati sono 50 e 475 anni, assunti, in maniera coerente con le norme sismiche attuali, rispettivamente come sismi di verifica per lo stato limite di esercizio ed ultimo della rete. Gli intervalli di completezza considerati sono quelli denominati dall INGV CO-04.2 e CO I risultati sono stati ricavati sia per le singole sottostazioni sia per ciascun comune servito. In questo secondo caso, i dati più significativi sono quelli relativi alla probabilità di black-out (potenza erogata nulla). Dalle analisi effettuate emerge che, con riferimento all intervallo di completezza CO-04.2 ed utilizzando la legge di attenuazione di Ambraseys et al. (Fig. 9), nella porzione modale dei comuni (65 su un totale di 350, ricadenti nelle province di Caltanissetta, Catania, Messina, Palermo e Ragusa), la probabilità di black out varia tra il 10% ed il 15%, se si impone un periodo di ritorno di 50 anni, mentre raggiunge picchi del 90%-100% (per 75 comuni su 350, ricadenti, oltre alle province suddette, anche in quelle di Enna e Siracusa), se si adotta un periodo di ritorno di 475 anni. Avvalendosi, invece, della legge di attenuazione di Ambraseys et al. modificata (Fig. 10), nella porzione modale dei comuni dei comuni (90 su un totale di 350, ricadenti nelle province di Agrigento, Caltanissetta, Catania, Enna, Messina, Ragusa e Siracusa), la probabilità di black out varia tra il 45 % ed il 50%, se si utilizza un periodo di ritorno di 50 anni, mentre raggiunge picchi del 90%-100% (per 101 comuni su 350, ricadenti sempre nelle province suddette), se si adotta un periodo di ritorno di 475 anni. Quando, infine, si impiega la legge di attenuazione di Sabetta e Pugliese (Fig. 11), nella porzione modale dei comuni (69 su un totale di 350, ricadenti nelle province di Agrigento, Caltanissetta, Catania, Enna, Messina e Ragusa), la probabilità di black out varia tra il 10 % ed il 15%, se si utilizza un periodo di ritorno di 50 anni, mentre raggiunge picchi del 90%-100% (per 94 comuni su 350, oltre

8 alle province suddette, anche in quella di Siracusa), se si adotta un periodo di ritorno di 475 anni. Fig. 9 - Probabilità di black out sulla rete elettrica siciliana secondo la legge di attenuazione di Ambraseys et al., intervallo di completezza CO In alto: periodo di ritorno 50 anni; in basso periodo di ritorno 475 anni.

9 Fig Probabilità di black out sulla rete elettrica siciliana secondo la legge di attenuazione di Ambraseys et al. modificata, intervallo di completezza CO A sinistra: periodo di ritorno 50 anni; a destra periodo di ritorno 475 anni.

10 Fig Probabilità di black out sulla rete elettrica siciliana secondo la legge di attenuazione di Sabetta e Pugliese intervallo di completezza CO A sinistra: periodo di ritorno 50 anni; a destra periodo di ritorno 475 anni.

11 Fig Probabilità di black out sulla rete elettrica siciliana secondo la legge di attenuazione di Ambraseys et al., intervallo di completezza CO A sinistra: periodo di ritorno 50 anni; a destra periodo di ritorno 475 anni.

12 Fig Probabilità di black out sulla rete elettrica siciliana secondo la legge di attenuazione di Ambraseys et al. modificata, intervallo di completezza CO A sinistra: periodo di ritorno 50 anni; a destra periodo di ritorno 475 anni.

13 Fig Probabilità di black out sulla rete elettrica siciliana secondo la legge di attenuazione di Sabetta e Pugliese intervallo di completezza CO A sinistra: periodo di ritorno 50 anni; a destra periodo di ritorno 475 anni. Con riferimento, invece, all intervallo di completezza CO-04.4 ed utilizzando la legge di attenuazione di Ambraseys et al. (Fig. 12), nella porzione modale dei comuni (71 su un totale di 350, ricadenti nelle province di Caltanissetta, Catania,

14 Enna, Messina e Ragusa), la probabilità di black out varia tra il 10 % ed il 15%, se si impone un periodo di ritorno di 50 anni, mentre raggiunge picchi del 90%-100% (per 94 comuni su 350, ricadenti, oltre alle province suddette, anche in quelle di Agrigento, Palermo e Siracusa), se si adotta un periodo di ritorno di 475 anni. Avvalendosi, invece, della legge di attenuazione di Ambraseys et al. modificata (Fig. 13), nella porzione modale dei comuni (72 su un totale di 350, ricadenti nelle province di Caltanissetta, Catania, Trapani e Palermo), la probabilità di black out varia tra il 15 % ed il 20%, se si utilizza un periodo di ritorno di 50 anni, mentre raggiunge picchi del 90%-100% (per 68 comuni su 350, oltre alle province suddette, anche in quelle di Enna, Messina, Siracusa e Ragusa), se si adotta un periodo di ritorno di 475 anni. Quando, infine, si impiega la legge di attenuazione di Sabetta e Pugliese (Fig. 14), nella porzione modale dei comuni (78 su un totale di 350, ricadenti nelle province di Caltanissetta, Catania, Enna, Messina, Palermo, Siracusa e Trapani), la probabilità di black out varia tra il 10 % ed il 15%, se si utilizza un periodo di ritorno di 50 anni, mentre raggiunge picchi del 90%-100% (per 65 comuni su 350, ricadenti nelle province suddette), se si adotta un periodo di ritorno di 475 anni. Come appena evidenziato, le analisi effettuate forniscono risultati diversi in funzione non solo del periodo di ritorno, ma anche della legge di attenuazione e degli intervalli di completezza considerati. In particolare, si osserva che, a parità di periodo di ritorno, utilizzando l intervallo di completezza CO-04.2, la legge di Ambraseys et al. modificata è più onerosa rispetto non solo alla legge di Ambraseys et al., ma anche di quella di Sabetta e Pugliese. Viceversa, per l intervallo di completezza CO-04.4, se si considera un periodo di ritorno di 50 anni, i risultati, per tutte le leggi di attenuazione, sono dello stesso ordine di grandezza, mentre risulta più gravosa quella di Ambraseys et al. se il periodo di ritorno adottato è 475 anni. Quanto all ubicazione dei comuni più vulnerabili, si osserva che essi ricadono sempre nelle zone sismogenetiche ZS 929, ZS 935 e ZS 936, ossia nella Sicilia orientale. CONCLUSIONI L articolo affronta il problema della verifica normativa della rete elettrica, così come dovrebbe essere imposta dal decreto 3685 del 21 novembre 2003 che prevede espressamente le verifiche per i tratti ad alta e media tensione. È ovvio che, in mancanza di indicazioni specifiche da parte del legislatore, la verifica debba tenere in conto: le incertezze sotto le quali d analisi è condotta, la distribuzione spaziale tanto della rete quanto del fenomeno sismico che ne mette a rischio il funzionamento, la ridondanza del sistema magliato di dispacciamento della potenza elettrica, nonché i parametri socio-economici che più significativamente mettono in risalto la ripercussione sulla popolazione di un eventuale interruzione di servizio. Ringraziamenti. La presente ricerca è stata svolta nell ambito del contratto di ricerca U0950 Valutazione della sicurezza al sisma del sistema di reti elettriche e procedura di adeguamento fra il Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano Giacinto Motta S.p.A. (Milano) e l Università degli Studi di Chieti, Dipartimento di Progettazione, Riabilitazione e Controllo delle Strutture Architettoniche (Pescara). Responsabili scientifici F. Bettinali e I.Vanzi.

15 BIBLIOGRAFIA Bommer J.J., Douglas J. e Strasser F.O.; 2003: Style-of-faulting in ground-motion prediction equations. Bull. Earthq. Eng., vol. 1, pp Cornell C., Jalayer F.,Hamburger R. e Foutch D.; 2002: The probabilistic basis for the 2000 SAC/FEMA steel moment frame guidelines. J. of Eng. Mech., ASCE, vol. 128 (4), pp INGV; 2003: Rapporto conclusivo del Gruppo di Lavoro per la redazione della mappa di pericolosità sismica (Ordinanza PCM , n.3274). Roma, pp Appendici. Nuti C. e Vanzi I.; 2002: Seismic Risk Assessment and Retrofit of Civil Engineering Structures and Systems. Probabilistic Methods Applied to Power Systems, Settembre, Napoli. Schiff A.J. (Ed.); 1995: Northridge Earthquake: Lifeline Performance and Post- Earthquake Response. ASCE, TCLEE Monograph Series, No. 8. Tang A.K. (Ed.); 2000: Ismit (Kocaeli), Turkey Earthquake of August 16, 1999, Including Duzce Earthquake of November 12, Lifeline Performance. ASCE, TCLEE Monograph Series No. 17. Vanzi I.; 1996: Seismic reliability of electric power networks: methodology and application. Structural safety, 18(4), pp Vanzi, I.; 1995: Affidabilità sismica delle reti elettriche. Tesi di Dottorato di Ricerca, Università di Roma "La Sapienza", Roma. Vanzi I., Bettinali F. and Sigismondo S.; 2005: Fragility curves of electric substations equipments via the Cornell method. 9-th ICOSSAR, Giugno, Roma.

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