Qualità della fornitura e del prelievo di energia elettrica. Giovanni Valtorta Enel Distribuzione Roma 27/9/05

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1 Qualità della fornitura e del prelievo di energia elettrica Giovanni Valtorta Enel Distribuzione Roma 27/9/05

2 Qualità tecnica della fornitura La qualità tecnica della fornitura di energia elettrica (power quality) è determinata da due fattori fondamentali: 1. continuità della fornitura: legata all adeguatezza del sistema elettrico ad alimentare il carico in qualunque momento, anche a fronte di guasti permanenti interruzioni >3 2. qualità della tensione: correlata a guasti temporanei in rete e/o alla presenza di carichi disturbanti. forma d onda 1

3 Qualità tecnica della fornitura di energia elettrica Anche se il sistema elettrico è pianificato, sviluppato, mantenuto ed esercito correttamente secondo la best practice tecnico-economica, la continuità assoluta della fornitura non può essere assicurata. Il miglioramento della continuità del servizio va generalmente a discapito della qualità della tensione. Lo sviluppo dell elettronica di potenza e dei sistemi di controllo ha fatto crescere sia il numero di carichi disturbanti sia quello dei carichi sensibili non solo alle interruzioni ma anche ai disturbi della tensione in termini di forma d onda 2

4 Evoluzione aspettative cliente Il grado di sviluppo economico influisce sull importanza che viene associata ai parametri che caratterizzano la qualità tecnica della fornitura di energia elettrica primi stadi dello sviluppo: la preoccupazione principale è la disponibilità di energia. La tensione, quando presente, deve avere ampiezza e frequenza variabili in un ragionevole intorno del valore nominale sviluppo medio -alto: la continuità della fornitura, l ampiezza e la frequenza della tensione di alimentazione sono ritenuti scontati e l attenzione si sposta su altri parametri che caratterizzano la qualità della tensione 3

5 Continuità del servizio: azioni intraprese Fig. 2 - Number and duration of interruption of Italian Regions in 1999 High conc. Med. conc. Low conc. Ref. 30' Ref. 45' Ref. 60' Duration of the single interruption (CML/SAIFI) Remotely controlled MV/LV substations Automation of MV/LV substations Network refurbish. Petersen coil Network structure Number of Interruption (SAIFI) 4

6 Continuità del servizio: risultati raggiunti Customer Minutes Lost [min] Average Enel Distribuzione Positioning 2003 vs. European Benchmarks (min.) FR , ,3-53% ,4 72, ,0 UK Scandinavia Spagna Irlanda ENEL 72 Premium received by Enel D (Mil )

7 6 Qualità della tensione: fenomeni principali

8 Parametri che caratterizzano la qualità della tensione interruzioni brevi e transitorie buchi di tensione Armoniche flicker sovratensioni transitorie e temporanee interarmoniche dissimmetria della tensione di alimentazione difetti del prodotto elettricità ma, purtroppo, intrinseci nella fornitura e nell utilizzo dell elettricità nelle reti pubbliche che provocano mal funzionamento delle apparecchiature elettriche sia della rete pubblica sia all interno delle installazioni degli utilizzatori 7

9 8 Coordinamento dell'emissione di disturbi sulle reti di distribuzione pubbliche

10 9 Normativa IEC disponibile IEC/TR ( ) IEC ( ) IEC ( ) IEC/TR ( ) IEC/TR ( ) IEC/TR ( ) IEC ( ) IEC ( ) Ed. 2.2 IEC ( ) Ed. 1.1 IEC/TS ( ) IEC/TS ( ) IEC/TR ( ) IEC/TR ( ) IEC ( ) IEC ( ) IEC ( ) IEC ( ) IEC ( ) IEC ( ) Ed. 1.1 IEC ( ) Ed. 1.1 IEC ( ) Ed. 1.1 IEC ( ) Ed. 1.1 IEC ( ) IEC ( ) Ed. 1.1 IEC ( ) IEC ( ) Historical rationale for the limitation of power-frequency conducted harmonic current emissions from equipment, in the frequency range up to 2 khz systems Compatibility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances Assessment of the emission levels in the power supply of industrial plants as regards low-frequency conducted disturbances Low frequency magnetic fields in various Environmentts Voltage dips and short interruptions on public electric power supply systems with statistical measurement results Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signalling in public medium-voltage power supply systems Limits for harmonic current emissions (equipment input current <= 16 A per phase) Limitation of voltage changes, voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems, for equipment with rated current <= 16 A per phase and not subject to conditional connection Limitation of emission of harmonic currents in low-voltage power supply systems for equipment with rated current greater than 16 A Limitation of voltage fluctuations and flicker in low-voltage power supply systems for equipment with rated current greater than 16 A Assessment of emission limits for distorting loads in MV and HV power systems - Basic EMC publication Assessment of emission limits for fluctuating loads in MV and HV power systems - Basic EMC publication Limitation of voltage changes, voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems - Equipment with rated current <= 75 A and subjet to conditional connection Limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current >16 A and <=75 A per phase General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto Voltage dips, short interruptions and voltage variations immunity tests Harmonics and interharmonics including mains signalling at a.c. power port, low frequency immunity tests Voltage fluctuation immunity test Flickermeter - Functional and design specifications Test for immunity to conducted, common mode disturbances in the frequency range 0 Hz to 150 khz Ripple on d.c. input power port immunity test Unbalance, immunity test Variation of power frequency, immunity test Voltage dips, short interruptions and voltage variations on d.c. input power port immunity tests Power quality measurement methods revisione GdL Cigré

11 Normativa CENELEC disponibile Direttiva 85/374/EEC: responsabilità sui prodotti difettosi EN (ed ): descrizione del prodotto elettricità (reti pubbliche di distribuzione MT e BT in ambito europeo) TR (2004): guida applicazione EN

12 Cosa fa Enel Distribuzione Enel Distribuzione recepisce le normative nazionali ed internazionali relative all EMC e partecipa attivamente alla loro stesura. In assenza di norme specifiche, in particolare per i clienti di maggiori dimensioni, Enel Distribuzione predispone propri criteri di allacciamento al fine di mantenere i parametri che caratterizzano la tensione entro i campi di variazione previsti DK 5550 Allacciamento di forni ad arco AT DK 5750 Criteri di allacciamento alla rete MT di impianti di risalita dotati di convertitori CA/CC 11

13 Criteri di allacciamento Gli esercenti delle reti elettriche curano l allacciamento dei carichi alla rete cercando di mantenere una certa stabilità di tensione e frequenza ed un basso livello di disturbi nella rete: Generalmente un prerequisito all allacciamento è che il cliente non disturbi l esercizio della rete o la fornitura ad altri clienti. Quando il carico fa parte di una grande installazione, generalmente, i relativi dettagli sono resi noti al distributore che ha quindi la possibilità di definire un corretto allacciamento e concordare un accettabile esercizio con il cliente di concerto con il fornitore di apparecchiature di quest ultimo. Tale modalità non può essere applicata nel caso di apparecchi utilizzatori di uso comune che vengono collegati alla rete senza consultare il distributore. In particolare i personal computer, i televisori e, generalmente, tutte le apparecchiature elettroniche costituiscono piccoli carichi per la rete e, in termini assoluti, provocano piccoli disturbi. Peraltro l elevato grado di diffusione ed il loro utilizzo simultaneo comporta un elevato livello di disturbo cumulato 12

14 Compatibilità elettromagnetica (EMC) capacità di un apparecchiatura di funzionare correttamente in un ambiente elettromagnetico (livelli di immunità) senza provocare disturbi eccessivi per le altre apparecchiature presenti (limiti di emissione) Se la compatibilità elettromagnetica è efficace: le emissioni delle apparecchiature collegate alla rete sono controllate in modo da non compromettere la qualità della tensione le apparecchiature stesse sono in grado di funzionare nel modo atteso nonostante la presenza di disturbi che provengono dalla rete 13

15 EMC: un obiettivo da raggiungere in tre DISTRIBUTORE CLIENTE FORNITORE APPARECCHIATUR E 14

16 Relazione distributore-cliente Deve cercare di mantenere i parametri che caratterizzano la tensione entro i campi di variazione previsti. DISTRIBUTORE Per soddisfare tale responsabilità il distributore deve poter mantenere un ragionevole controllo del modo in cui i clienti utilizzano l energia, indicando ai clienti stessi come non disturbare altri utenti della rete. 15 CLIENTE Deve utilizzare l energia in modo da non arrecare disturbi all esercizio della rete e alla fornitura di altri clienti eventualmente prendendo gli opportuni provvedimenti quando ciò si dovesse verificare. Deve informare tempestivamente il distributore circa le apparecchiature che sta per installare o installerà e le relative modalità d uso. Tale approccio è praticamente adottabile solo per le grandi installazioni mentre per le apparecchiature a larga diffusione bisogna fare affidamento alla normativa EMC

17 Relazione cliente-fornitore di apparecchiature CLIENTE Utilizza l elettricità mediante le apparecchiature elettriche FORNITORE APPARECCHIATUR E Il costruttore è responsabile di fornire al cliente apparecchiature in grado di assolvere le funzioni volute tra cui la limitazione dei disturbi e la capacità di funzionare correttamente nelle condizioni di fornitura previste. Il costruttore di apparecchiature deve anche fornire al cliente tutte le informazioni richieste dal distributore 16

18 Relazione distributore-fornitore di apparecchiature Fornitori di apparecchiature e distributori sono coinvolti nel processo di definizione della normativa EMC al fine di assicurare: limiti di emissione che prevengano livelli di disturbo sulla rete tali da compromettere il corretto funzionamento delle apparecchiature dei clienti e l esercizio delle reti; apparecchiature elettriche con adeguata immunità ai disturbi che si possono trovare normalmente sulle reti 17

19 Interruzioni e buchi di tensione definizioni: interruzioni buchi di tensione si verificano quando la tensione ai terminali di fornitura è inferiore al 1% della tensione dichiarata e sono dette: transitorie se < 1 s brevi se di durata 1s 3 lunghe se >3 diminuzioni improvvise della tensione di alimentazione ad un valore compreso tra il 90% e l 1% della tensione dichiarata, seguita da un ripristino dopo un breve periodo di tempo cause: guasti su linea di alimentazione dell'utente o su linee metallicamente ad essa connesse, seguiti da manovre di richiusura automatica rapida o lenta; correnti d'inserzione di trasformatori e condensatori; carichi che variano rapidamente e avvio di grossi di motori. 18

20 Interruzioni e buchi di tensione Valori attesi in un anno a livello europeo V DURATA tipo (%) (millisecondi) (secondi) Buchi di tensione Interruzioni Valori di riferimento, pubblicati da UNIPEDE (ex Associazione Internazionale Produttori e Distributori di Energia Elettrica, ora confluita in Eurelectric) per la verifica del livello di immunità degli apparecchi utilizzatori 19

21 Interruzioni e buchi di tensione Effetti sui carichi interventi intempestivi di relè di minima tensione e di contattori irregolarità nel funzionamento dei motori malfunzionamenti di apparati elettronici digitali spegnimento di lampade a scarica con ritardo di riaccensione 20

22 Interruzioni e buchi di tensione contromisure lato Rete protezione dalle sovratensioni cavizzazione reti di distribuzione messa a terra del neutro contromisure lato Cliente desensibilizzazione contattori e azionamenti statici UPS per sistemi di controllo custom power 21

23 Situazione Enel Distribuzione 2004 Interruzioni transitorie brevi lunghe (t 1 ) (1 < t 3 ) (t > 3 ) Numero medio per cliente MT i buchi di tensione attualmente non sono misurati: sono stimati in alcune decine per anno Miglioramenti attesi con messa a terra del neutro MT Riduzione del numero di interruzioni sulla rete MT transitorie brevi Interruzioni (t 1 ) (1 < t 3 ) Variazione rispetto a periodo confrontabile di esercizio della rete a neutro isolato lunghe (t > 3 ) -51% -38% -26% 22

24 Collaborazione Enel-Confindustria I fenomeni che provocano i disturbi alla qualità della tensione e le relative tecniche di desensibilizzazione spesso non sono ben noti agli stessi utilizzatori, a metà degli anni 90 Enel, assieme a Confindustria, ha predisposto la guida tecnica Qualità dell alimentazione elettrica negli impianti industriali. La collaborazione con Confindustria, di cui oggi anche Enel è membro, è sempre attiva e attualmente prevede: referenti Confindustria ed Enel (commerciali+tecnici) a livello provinciale; sperimentazione in alcune aree "critiche" di metodologie per lo studio di problemi specifici; gruppo di lavoro per l aggiornamento guida Enel-Confindustria. A partire dall autunno 2005, è previsto un road show nelle principali sedi delle Unioni Industriali d Italia per illustrare alle varie realtà locali le problematiche relative ai disturbi alla qualità della tensione e le relative tecniche di desensibilizzazione. 23

25 Regolamentazione AEEG regolamenta la durata cumulata delle interruzioni lunghe (> 3 minuti) Dal 2006 saranno regolamentati anche il numero di interruzioni lunghe per i clienti AT ed MT. A partire dal 2006 e per 2 anni AEEG, nell ambito della Ricerca di Sistema, effettuerà una campagna di misure per valutare statisticamente alcuni parametri caratterizzanti la qualità della tensione sulle reti AAT, AT e MT al fine di avere le basi per una regolamentazione della stessa dal 2008 affidandola: a GRTN, per le reti AAT e AT a CESI, per le reti di distribuzione MT 24

26 Architettura del sistema di monitoraggio Le apparecchiature di misura (AdM), da installare su sbarre AAT, AT o semisbarre MT delle Cabine AT/MT che sui punti di consegna dei clienti finali MT, sono dotate di : modem GSM per la comunicazione verso un server centrale dei dati rilevati (avvalendosi di operatori telefonici nazionali) GPS per la sincronizzazione temporale di tutte le AdM installate 25

27 Campagna monitoraggio QT su rete MT: punti di misura 400 semisbarre MT di CP (su base statistica) 200 punti di consegna MT (su richiesta) 26

28 Indicatori considerati nella campagna di monitoraggio Ampiezza e variazione della tensione di alimentazione Flicker Buchi di tensione Interruzioni della tensione di alimentazione Squilibrio della tensione Grandezze armoniche - Tensioni Grandezze armoniche Correnti (solo per misure c/o clienti) 27

29 Punti di misura su semisbarre Enel Distribuzione 360 semisbarre MT di CP individuate su base statistica rispetto a: - potenza trasformatore AT/MT - tipologia ed estensione rete MT (aereo, cavo, mista) - stato neutro (compensato o isolato) - concentrazione ambiti rete BT sottesa (alta, media, bassa) - numerosità clienti MT 28

30 Punti di misura su semisbarre Enel Distribuzione La ripartizione sul territorio nazionale è stata effettuata proporzionalmente al numero di cabine primarie presenti: Calabria Sicilia Sardegna Piemonte e Liguria Puglia e Basilicata Lombardia Campania Lazio, Abruzzo e Molise Toscana e Umbria Triveneto Emilia Romagna e Marche 29

31 Considerazioni finali lo sviluppo dell elettronica di potenza e dei sistemi di controllo ha fatto crescere sia il numero di carichi disturbanti sia quello dei carichi sensibili non solo alle interruzioni ma anche ai disturbi della tensione in termini di forma d onda è essenziale che i clienti conoscano i parametri che caratterizzano la qualità della tensione, i fenomeni che li determinano e la loro entità (collaborazione Enel Confindustria) spesso l effetto maggior parte dei disturbi può essere annullato desensibilizzando opportunamente l impianto utilizzatore (aggiornamento Guida Enel Confindustria) la campagna di monitoraggio della qualità della tensione rappresenta un passo fondamentale per migliorare la qualità della fornitura di energia elettrica la tensione viene generata perfettamente sinusoidale e viene distorta da fenomeni non eliminabili come guasti temporanei e da carichi disturbanti generalmente il miglioramento della continuità della fornitura implica un peggioramento della qualità della forma d onda 30

32 Riflessi normativi La norma EN descrive le caratteristiche della tensione nelle reti pubbliche di distribuzione MT e BT europee risultante dall applicazione delle attuali norme internazionali sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) sugli attuali sistemi elettrici. La stesura della EN vede coinvolti rappresentati di aziende elettriche e di costruttori di apparecchiature (fondamentalmente BT). L evoluzione della norma EN richiede, in un contesto internazionale, l adeguamento dell intera normativa EMC incidendo su: o norme costruttive apparecchi utilizzatori o norme reti o norme impianti/sistemi utilizzatori La regolamentazione della qualità della tensione non può inoltre prescindere dalla presenza e dal rispetto di norme d allacciamento che permettano di gestire efficacemente anche i carichi disturbanti Per ragioni di equità ed efficacia la compensazione dei disturbi deve avvenire dove questi vengono generati 31