HIGH SPEED RAILWAYS SISTEMA ENERGIA

Transcript

1 ALTA SCUOLA POLITECNICA Progetto ITALIAN HIGH SPEED RAILWAYS SISTEMA ENERGIA MILANO 23 Novembre 2005

2 IMPIANTI DI TRAZIONE ELETTRICA HANNO LA FUNZIONE DI RENDERE DISPONIBILE AL MEZZO DI TRAZIONE L ENERGIA ELETTRICA PER LA LOCOMOZIONE LE CARATTERISTICHE DELLA TRAZIONE ELETTRICA CHE LA CONTRADDISTINGUONO DA ALTRE FORME DI TRAZIONE (A VAPORE, SUPERATA, ED ENDOTERMICA) SONO: TUTELA DELL AMBIENTE (SPECIALMENTE PER I TRATTI URBANI) ECONOMICITÀ (A PARTIRE DA DETERMINATI VOLUMI DI TRAFFICO) POTENZE INSTALLABILI A BORDO PIÙ ELEVATE CAPACITÀ DI TRASPORTO 2

3 SISTEMI DI TRAZIONE ELETTRICA GLI IMPIANTI DI TRAZIONE ELETTRICA NEL LORO INSIEME FORMANO IL SISTEMA DI TRAZIONE ELETTRICA SISTEMA A 3 kv a corrente continua Applicato alla rete tradizionale SISTEMA A 2x25 kv a corrente alternata Applicato alla rete AV/AC 3

4 IMPIANTI COMPONENTI DEI SISTEMI DI TRAZIONE ELETTRICA LINEE DI ALIMENTAZIONE AD ALTA TENSIONE SOTTOSTAZIONI DI TRASFORMAZIONE E DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE LINEA DI CONTATTO IMPIANTI DI TELECOMANDO 4

5 SISTEMA ENERGIA RETE TRADIZIONALE TENSIONE 3 kv cc IN ITALIA

6 LINEE DI ALIMENTAZIONE AD ALTA TENSIONE HANNO LA FUNZIONE DI TRASPORTARE L ENERGIA ELETTRICA ALLE SOTTOSTAZIONI ELETTRICHE (SSE) DI TRASFORMAZIONE (SISTEMI a ca) E TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE (SISTEMI a cc) POSTE LUNGO LE LINEE FERROVIARIE. Circa km di elettrodotti in AT (a 66, 132, 150 e 220 kv) Interconnessioni con GRTN (Gestore della Rete di Trasmissione Nazionale), Enel Distribuzione ed altri gestori, produttori, distributori e grandi utilizzatori di energia elettrica 66 kv km kv km kv km kv km 11 Totale km

7 SOTTOSTAZIONI ELETTRICHE DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE HANNO LA FUNZIONE DI TRASFORMARE LA TENSIONE DELLA LINEA AT PRIMARIA E DI RADDRIZZARLA PER OTTENERE IL RICHIESTO VALORE DI CORRENTE IN TENSIONE CONTINUA SONO PERTANTO COSTITUITE DA UNA SEZIONE DI TRASFORMAZIONE E DA UNA SUCCESSIVA SEZIONE DI RADDRIZZAMENTO I GRUPPI RADDRIZZATORI (TECNOLOGIA AL SILICIO) SONO DI POTENZA UNITARIA PARI A 2,0 3,6 O 5,4 MW, IN UNA SSE CI POSSONO ESSERE 1, 2 O 3 GRUPPI Valori di tensione primaria kv (alcune SSE sono alimentate direttamente dalla rete distributrice MT a kv) Tensione secondaria 3 kv cc 7

8 SOTTOSTAZIONI ELETTRICHE DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE Quantità POTENZA GRUPPI NUMERO SSE NUMERO GRUPPI (MW) POTENZA TOTALE (MW) 2, , , TOTALI

9 SCHEMA ELETTRICO DI UNA SSE DI TRASFORMAZIONE/CONVERSIONE Rappresentazione schematica di un impianto di SSE 9

10 LINEA DI CONTATTO LA LINEA DI CONTATTO RENDE DISPONIBILE L ENERGIA AL TRENO CHE LA PRELEVA ATTRAVERSO UN ORGANO DI CAPTAZIONE (PANTOGRAFO) È COSTITUITA DA SOSTEGNI SOSPENSIONI CONDUTTURE ELETTRICHE (CATENARIA: CORDA E FILO DI CONTATTO) CIRCUITO DI RITORNO CIRCUITO DI PROTEZIONE 10

11 EVOLUZIONE DELLE CARATTERISTICHE Fino al 1960 v < 150 km/h Sezione 320 mmq n.1 corda portante fissa da 120 mmq Cu con tiro di 1075 dan a 15 C n.2 fili di contatto da 100 mmq Cu regolati ciascuno a 750 dan Dal 1960 v < 200 km/h Sezione 320 mmq n.1 corda portante regolata da 120 mmq Cu con tiro di 1375 dan n.2 fili di contatto da 100 mmq Cu regolati ciascuno a 1000 dan Dal 1980 Aumento traffico v < 200 km/h Sezione 440 mmq o maggiore n.2 corde portanti regolate da 120 mmq Cu con tiro di 1125 dan n.2 fili di contatto da 100 mmq Cu regolati ciascuno a 1000 dan

12 SISTEMA DI ALIMENTAZIONE 3 kv cc v 200 km/h Parametri elettrici e caratteristiche geometriche della catenaria Potenza SSE: 2 x 3.6/5.4 MW SSE ogni 20/30 Km Caratteristiche della linea Velocità massima [km/h] Intensità del traffico Linea di contatto Corda portante Fili di contatto Sezione del rame [mm2] numero sezione [mm2] tiro [dan] numero C o r d e d i t e r r a sezione [mm2] tiro [dan] 200 bassa media alta C o r d e p o r t a n t i Sostegni: tipo LS a traliccetto in piena linea tipo MANNESMAN nelle stazioni F i l i d i c o n t a t t o Sospensioni: mensola orizzontale Circuito di protezione: n.2 corde di terra da 125 mmq in alluminio

13 CATENARIA 3kV cc v 200km/h SEZIONE 320 mmq

14 CATENARIA 3kV cc v 200km/h SEZIONE 440 mmq

15 CATENARIA 3kV cc v 200km/h SEZIONE 610 mmq

16 EVOLUZIONE SISTEMA IN CC PER AV (ROMA FIRENZE DD) Velocità massima 250 km/h Dal 1976 Sezione 460 mmq n.1 corda portante regolata da 160 mmq Cu-Cd con tiro di 2750 dan n.2 fili di contatto da 150 mmq Cu regolati ciascuno a 1500 dan Dal 1990 Sezione 610 mmq n.2 corde portanti regolate da 155 mmq Cu con tiro di 1875 dan e con Y n.2 fili di contatto da 150 mmq Cu regolati ciascuno a 1500 dan Dal 1999 Sezione 540 mmq n.2 corde portanti regolate da 120 mmq Cu con tiro di 1500 dan n.2 fili di contatto da 150 mmq Cu regolati ciascuno a 1875 dan

17 SISTEMA DI ALIMENTAZIONE a 3 kv cc v 250 km/h Parametri elettrici e caratteristiche geometriche della catenaria Potenza SSE: 3x5,4 MW SSE ogni 16 Km Caratteristiche della linea Linea di contatto Corda portante Fili di contatto Velocità massima [km/h] Intensità del traffico Sezione del rame [mm 2 ] numero sezione [mm 2 ] tiro [dan] numero sezione [mm 2 ] tiro [dan] 250 Media /Alta Sostegni: Sospensioni: Circuito di protezione: portali a traliccio a puntone inclinato n.2 corde di terra per ambedue i binari 17

18 CATENARIA 3kV cc v 250km/h SEZIONE 540 mmq

19 SISTEMA ENERGIA NUOVE LINEE ALTA VELOCITA IN ITALIA

20 IL PROBLEMA DELLO SQUILIBRIO L ASSORBIMENTO DI POTENZA MONOFASE DA IMPIANTI TRIFASI DETERMINA LA PRESENZA DI TENSIONI DISSIMMETRICHE COMPONENTE INVERSA DI TENSIONE Vi P 1f / P cc LA COMPONENTE INVERSA DETERMINA PER LE APPARECCHIATURE CONNESSE SULLA STESSA RETE MAL FUNZIONAMENTO DEI CONVERTITORI SURRISCALDAMENTO DEI MOTORI pertanto L ELETTRODOTTO CHE ALIMENTA LE SSE AV È DIVERSO DA QUELLO CHE ALIMENTA LE LINEE TRADIZIONALI SCHEMA DI SSE : USO DI TRASFORMATORI MONOFASI INSERITI A V SU LINEA TRIFASE

21 IL CONCETTO DI SISTEMA INTEGRATO IL SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DEL 2X25 kv È UN SISTEMA CHE PREVEDE UNA STRETTA INTEGRAZIONE FRA L ESERCIZIO L DELLA LINEA DI CONTATTO, DELLE SSE E DEI PP, DELLA LINEA AT E DELLE INTERCONNESSIONI AD ESEMPIO UN SEMPLICE SPOSTAMENTO DEL TRATTO NEUTRO ATTIVO LUNGO LA LINEA HA CONSEGUENZE SULL ASSETTO DEI SEZIONAMENTI DELLA LINEA DI CONTATTO, DELLE SSE E DEI PP E SUGLI SQUILIBRI DI CARICO SULLE LINEE AT, CON VARIAZIONI DEI DISTURBI CAUSATI NEI NODI DI INTERCONNESSIONE

22 L ALIMENTAZIONE DEGLI IMPIANTI AUSILIARI LFM Con il 2X25 kv-50 Hz è possibile disporre di energia elettrica in qualunque punto lungo la linea derivandosi semplicemente dal feeder attraverso trasformatori da palo protetti da fusibile e sezionatore Sono alimentati da questa fonte: impianti di illuminazione impianti f.m. impianti di emergenza impianti di segnalamento riscaldamento deviatoi stazioni radio base del GSM-r unità acquisizione dati per diagnostica binario

23 SISTEMA ELETTRICO DI ALIMENTAZIONE LINEA A.T. L ALLACCIAMENTO ALLA RETE DI TRASMISSIONE NAZIONALE Autotrasformatore dedicato 380/150 kv P=250 MVA Sbarra per RFI a 150 kv STAZIONE TERNA 380/150 kv Linea A.T. di RFI Doppia sbarra a 380 kv di stazione Doppia sbarra a 150 kv di stazione COLLEGAMENTO DI RISERVA Note: Schema semplificato Impiantistica di misura e Adm di Enel Distribuzione

24 ALIMENTAZIONE DELLA LINEA FERROVIARIA AV/AC ROMA NAPOLI STAZIONI TERNA 380/150 kv

25 CARATTERISTICHE ELETTRODOTTO Conduttore di fase : aereo in ACSR diametro 31,5 mm (In = 850 A) cavo 3x1x1000 mmq (Al ARG7HE) Fune di guardia : in acciaio zincato ø 10,5 o 11,5 mm Isolatori : in vetro, a cappa e perno e mensole isolate Smorzamento : smorzatori di vibrazione stockbridge Sostegni : a traliccio, a semplice e doppia terna, autostrallati

26 TENSIONE DI ALIMENTAZIONE ALL ARCHETTO Norma CENELEC EN Tensione minima non permanente Tensione minima permanente Tensione nominale Tensione massima permanente Tensione massima non permanente U min2 (V) U min1 (V) U n (V) U max1 (V) U max2 (V) cc ca Il tempo in cui la tensione è compresa tra U min1 e U min2 non deve essere superiore a 2 minuti. Il tempo in cui la tensione è compresa tra Umax1 e Umax2 non deve essere superiore a 5 minuti. La tensione della barra di distribuzione nella sottostazione con tutti gli interruttori di linea aperti non deve superare U max1.

27 LE SCELTE DEL SISTEMA 2 X 25 kv L ALIMENTAZIONE 2 X 25 kv DELLA LINEA DI CONTATTO È REALIZZATA TRAMITE: SSE CON TRASFORMATORI 150/25/-25 kv PASSO MEDIO 50 km P=2 X 60 MVA PP CON AUTOTRASFORMATORI CON PRESA CENTRALE +25/0/-25 kv PASSO MEDIO 12km P=2 X 15 MVA

28 RIPARTIZIONE TEORICA CORRENTI DEL 2X25 kv - 25 kv FEEDER 25% 50% 50% 25% 50% 50% 25% 75% 25% + 25 kv L.C. 50% 100% 50% Cella 1 (libera) Cella 2 (libera) 50% 50% Cella 3 (occupata)

29 SCHEMA SEMPLIFICATO DI SSE 2X25kV

30 CARATTERISTICHE DELLO SCHEMA DI POTENZA DI SSE ALIMENTAZIONE AT IN ENTRA-ESCI ESCI EMISEZIONAMENTO SBARRA AT ED MT INSERZIONE DEI TRAFO A V CON POSSIBILITÀ DI CAMBIO FASI PRESA CENTRALE DEL TRAFO COLLEGATO AL BINARIO ED ALLA MAGLIA DI TERRA SEZIONATORI ED INTERRUTTORI LATO 25 kv BIPOLARI SERVIZI AUSILIARI DA FEEDER (-25( kv): 2 TRAFO DA 50 kva (UNO DI RISERVA) DA SBARRA DI SSE E/O DA LINEA

31 SCHEMA DI POTENZA DI UN Posto di Parallelo Doppio

32 ALIMENTAZIONE LINEA DI CONTATTO SSE A SSE B TRATTO NEUTRO ATTIVO PPS PPD PPD PPD PPD

33 DETERMINAZIONE CARATTERISTICHE MECCANICHE LDC Simulazione su modello matematico Individuazione di tipologie di catenarie con comportamenti equivalenti dal punto di vista della captazione intesa come forza di contatto tra un pantografo preso a riferimento e diverse catenarie Variabili prese in considerazione: - pendini e passo di pendinatura - ripartizione dei tiri tra corda/e e filo/i - sezione/peso della catenaria - lunghezza delle campate - valore della freccia Campagna di prove in linea con pantografo attrezzato e rilievi a terra Individuazione della migliore catenaria

34 LINEE ALTA VELOCITÀ /ALTA CAPACITÀ Velocità massima 300 km/h Sistema di alimentazione 2x25 kv 50 Hz Sezione 270 mmq n.1 corda portante regolata da 120 mmq Cu con tiro di 1625 dan n.1 filo di contatto da 150 mmq Cu regolato a 2000 dan n.1 feeder di 22.8 mm di diametro in corda di alluminio-acciaio alimentato a 25 kv Configurazione Sostegni: pali tipo LS flangiati alla base Sospensioni: a puntone inclinato in lega di alluminio Feeder: posato dal lato esterno al binario Circuito di terra: n.1 corda di terra da 125 mmq in Al posata sui pali ed n.1 corda da 95 mmq in Cu interrata

35 SISTEMA DI ALIMENTAZIONE 2x25 kv - 50 Hz v 300km/h Parametri elettrici e caratteristiche geometriche della catenaria Potenza SSE: 2 x 60 MVA SSE ogni 50 Km Linea di contatto Corda portante Fili di contatto Feeder alimentato Sezione del rame [mm 2 ] numero sezione [mm 2 ] Cu tiro [dan] numero sezione [mm 2 ] Cu tiro [dan] numero a - 25Kv diametro [mm] corda Al-acciao ,8 Sostegni: pali tipo LS flangiati alla base Sospensioni: a puntone inclinato in lega di alluminio Feeder: posato dal lato esterno al binario Circuito di terra: n.1 corda di terra da 125 mmq in Al posata sui pali n.1 corda da 95 mmq in Cu interrata 35

36 CATENARIA 2x25 kv - 50 Hz v 300km/h SEZIONE 270 mmq

37 CARICHI AGENTI SUI SOSTEGNI Spinta del vento agente sulle funi e sui fili, con o senza manicotto di ghiaccio, Spinta del vento agente sul sostegno senza incrostazioni di ghiaccio, Spinta del vento agente sugli isolatori e sugli accessori di linea senza incrostazioni di ghiaccio, Componenti orizzontali dei tiri delle funi e dei fili nella direzione della campata, Componenti verticali dei tiri delle funi e dei fili, Peso degli isolatori e degli apparecchi ed accessori senza incrostazioni di ghiaccio, Peso degli elementi costituenti i sostegni senza incrostazioni di ghiaccio.

38 COMPONENTI CATENARIA Feeder Sospensione catenaria Isolatori Fune portante Corda di terra Tirantino di poligonazione Filo di contatto

39 SOSPENSIONE TESA

40 SOSPENSIONE COMPRESSA

41 RIFERIMENTO NORMATIVE EUROPEE Norme CENELEC EN Costruzione linea aerea di contatto EN Provvedimenti di protezione concernenti la sicurezza elettrica e la messa a terra EN Rame e leghe di rame per fili di contatto sagomati EN Coordinamento dell isolamento EN Isolatori compositi EN Braccetto isolato per linea di contatto EN Sistema di captazione Misura dell interazione tra pantografo e catenaria EN Sistema di captazione Validazione della simulazione dell interazione tra pantografo e catenaria EN Criteri per l interazione tra pantografo e catenaria (per il libero accesso) EN Limiti di tensione e frequenza richiesti per l interoperabilità

42 SISTEMA ENERGIA SPECIFICA TECNICA INTEROPERABILITA ENERGIA

43 PRINCIPALI PROBLEMI E RELATIVE SOLUZIONI Definizione delle prestazioni connesse con il sistema di alimentazione Determinazione del profilo del pantografo interoperabile Condivisione dei metodi di valutazione della qualità della captazione Configurazione della zona neutra di separazione delle fasi

44 SISTEMI AMMESSI PER L ALIMENTAZIONE DELLE LINEE AV CON VELOCITÀ v 250 Km/h Sistema ottimale: 25 kv - 50 Hz Altri sistemi ammessi: 15 kv - 16,7 Hz nei paesi che già lo utilizzano 3 kv cc in Italia, Spagna e Polonia, sulla linea esistente (Rm-Fi DD) e su tratti delle nuove linee per velocità fino a 250 km/h

45 PROFILO PANTOGRAFO INTEROPERABILE E stato definito un profilo unico del pantografo interoperabile, valido per tutti i sistemi di alimentazione, sia in ca che in cc, con larghezza di 1600 mm

46 PROFILO DELLA TESTA DELL EURO-PANTOGRAFO R=10000 R=400 R= Centro del raggio R= ) Corno in materiale isolante 2) Lunghezza minima degli striscianti 3) Lunghezza della proiezione del corno in materiale isolante 4) Campo di lavoro della testa del pantografo 5) Larghezza della testa del pantografo Fig. 1 - Profilo della testa del pantografo

47 CRITERI DI VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DI CAPTAZIONE Sono definiti i valori della forza di contatto catenariapantografo, ovvero della spinta del pantografo, in funzione della velocità, nei differenti sistemi di alimentazione in ca e in cc Sono definiti i criteri ottimali di valutazione della qualità della captazione, ovvero dell interazione catenaria-pantografo, in alternativa, mediante: misura della forza media (Fm) di contatto e della dispersione; misura degli archi, o dei distacchi, in funzione del tempo di captazione.

48 INDICI DI QUALITÀ σ 0,3 Fm NQ = ( Σt arc /t tot ) x 100 0,14 % per corrente alternata 0,20 % per corrente continua

49 INTERAZIONE CATENARIA PANTOGRAFO F m in funzione della velocità nei sistemi in c.a Fm (N) V (Km/h)

50 ZONA NEUTRA DI SEPARAZIONE DELLE FASI NEL SISTEMA A 25 kv 50 Hz Una zona neutra lunga almeno 402 m (funzione della lunghezza massima ammessa per i treni) oppure Due zone neutre consecutive di lunghezza inferiore a 142 m (considerando la distanza tra 3 pantografi consecutivi)

51 ZONA NEUTRA DI SEPARAZIONE DELLE FASI NEL SISTEMA A 25 kv 50 Hz Zona neutra lunga D > 402 m fase 1 fase 2 Zona neutra doppia D < 142 m fase 1 fase m < L < 400 m Distanza tra tre pantografi consecutivi

52 ARRIVEDERCI SULLA ROMA NAPOLI A DICEMBRE 2005