Analisi di alimentazione integrata di un nodo ferroviario AV

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1 Analisi di alimentazione integrata di un nodo ferroviario AV Guido Guidi Buffarini Italferr S.p.A. Gruppo Ferrovie dello Stato Italiane Roma, Italia Giovanni Trezza Italferr S.p.A. Gruppo Ferrovie dello Stato Italiane Roma, Italia Pierluigi Caramia Universita' degli Studi di Napoli "Parthenope Napoli, Italia Abstract In nodi particolarmente complessi, a causa della simultanea presenza di SSE della linea Alta Velocità (AV) e di SSE alimentanti linee a 3 kv cc, possono nascere disturbi, di natura condotta, interferenti con gli impianti di segnalamento e sicurezza. I. Introduzione L evoluzione della trazione elettrica ha portato ad una molteplicità di sistemi ispirati a principi tra loro molto diversi. Attualmente, in Europa, sono presenti sistemi di trazione alimentati in corrente continua, in corrente alternata monofase a frequenza industriale e in corrente alternata monofase a frequenza ferroviaria. Come ben noto, la rete ferroviaria italiana presenta linee elettrificate in corrente continua a 3 kv (rete tradizionale), e linee elettrificate in corrente alternata monofase a 2x25 kv 50 Hz (rete AV). Ciascuno di questi sistemi presenta problemi di Power Quality [1]; tali problemi possono interessare sia la rete trifase, da cui essi sono alimentati, che vede il sistema di trazione come un carico disturbante, sia lo stesso sistema di trazione, al cui interno esistono componenti, ad esempio i circuiti di controllo e di segnalamento, che sono estremamente sensibili alle caratteristiche delle forme d onda, di tensione e di corrente, ad essi applicate [2-4]. Più in particolare, nel caso dei sistemi alimentati in corrente monofase alternata, i principali problemi di Power Quality sono legati alle dissimmetrie delle tensioni nei nodi della rete trifase di alimentazione e alle distorsioni delle forme d onda di corrente e di tensione, presenti sia nel circuito di linea che nella rete trifase, e che sono causate dalle armoniche ed interarmoniche generate dagli azionamenti di bordo dei locomotori. Nel caso dei sistemi in corrente continua sono presenti distorsioni delle forme d onda di tensione e di corrente nel circuito di linea e nella rete trifase; esse sono causate sia dalle armoniche ed interarmoniche generate dagli azionamenti di bordo dei locomotori che dalle armoniche generate dai convertitori ca/cc presenti nelle sottostazioni elettriche (SSE). Nelle normali condizioni di funzionamento il sistema tradizionale in c.c. e quello AV in c.a. monofase a frequenza industriale della rete ferroviaria italiana, operano separatamente. Le sottostazioni del sistema in corrente alternata e di quello in corrente continua, infatti, sono connesse a reti differenti e praticamente indipendenti. Tuttavia, in condizioni di emergenza, i due sistemi possono essere connessi alla stessa rete trifase mediante collegamenti di soccorso e, conseguentemente, subire mutue influenze. In queste condizioni di emergenza, particolare attenzione va posta agli effetti che una dissimmetria delle tensioni di alimentazione dei raddrizzatori delle sottostazioni del sistema in corrente continua, causata dal carico squilibrato costituito dalle SSE del sistema monofase in corrente alternata, provoca a tensioni e correnti armoniche in ingresso ed in uscita ai raddrizzatori stessi. Infatti, la presenza di un alimentazione dissimmetrica introduce armoniche non caratteristiche nelle forme d onda di tensione e corrente, e modifica il valore di quelle caratteristiche. Nel lavoro, è dapprima descritta la parte della rete ferroviaria italiana oggetto della problematica in studio (Paragrafo II). Successivamente sono analizzati gli effetti prodotti da un alimentazione dissimmetrica sul funzionamento di una SSE del sistema in corrente continua, in termini di variazione dei livelli di distorsione armonica, (Paragrafo III). Infine, è esaminato un caso reale di interazione tra il sistema in c.c. e il sistema in c.a. monofase. Il caso analizzato fa riferimento alla rete ferroviaria descritta nel paragrafo II, in cui è prevista la possibilità di alimentare, in emergenza, le SSE del sistema A.V. e le SSE del sistema tradizionale in corrente continua attraverso un collegamento comune. II. Rete ferroviaria italiana oggetto di studio L incremento del traffico ferroviario in prossimità del nodo di Firenze ha comportato la necessità di creare una nuova SSE, a servizio della linea a 3 kv c.c., presso Prato. La SSE di Prato sarà equipaggiata con due gruppi di conversione da 5,4 MW e sarà alimentata tramite una linea in cavo a 20 kv, di circa 13 km, a partire dalle sbarre a 132 kv di Rifredi. La rete ferroviaria in esame è rappresentata schematicamente in fig.1.

2 Fig. 1. Schema unifilare della rete ferroviaria nei pressi di Rifredi Il nodo centrale di tale rete è la località Rifredi, situata a pochi km da Firenze dove sono presenti 2 sbarre in A.T. a 132 kv da cui partono più linee per l alimentazione di 12 sottostazioni della linea storica in corrente continua (S Viola, S. Rufillo, ecc.). La rete è alimentata in più punti caratterizzati da diversi valori della potenza di corto-circuito, come indicato in tabella I. TABELLA I Nodi Trifasi di c.to c.to Vn Pcc [kv] [MVA] Calenzano Sodo Bologna Ponticino Cascina Inoltre, presso Rifredi sono presenti: una SSE della linea a 3 kv c.c. e più trasformatori destinati all alimentazione di altri carichi di vario tipo (carico rotante, carichi luce, ecc.). I collegamenti Calenzano-Rifredi (8,32 km), Calenzano- Castello (8,16 km) e Castello-Rifredi (3,58 km) sono realizzati con terne di cavi unipolari aventi le seguenti caratteristiche: r = 0,0291 Ω/km; x L = 0,122 Ω/km; c = 220 nf/km. I collegamenti Rifredi-Firenze AV (3 km) e Rifredi-Prato (13,6 km) sono realizzati con cavi tripolari aventi le seguenti caratteristiche: V n = 20 kv; r = 0,04 Ω/km; x L = 0,046 Ω/km; c = 700 nf/km. I collegamenti Sodo-Rifredi, Cascina-Empoli-Rifredi, Bologna-Rifredi e Rifredi-Ponticino sono realizzati con linee aeree aventi le seguenti caratteristiche: V n = 132 kv; r = 0,172 Ω/km; x L = 0,424 Ω/km; c = 8,5 nf/km. Le lunghezze delle varie linee aeree sono riportate nella tabella II. V n = 132 kv;

3 TABELLA II Linea Lunghezza [km] Sodo-Rifredi 0,86 Rifredi-Empoli 25,7 Rifredi-Compiobbi 11 Empoli-Cascina 34,5 Rifredi-Vaiano 24 Vaiano-Cà di Landino 17 Cà di Landino-Grizzana 18 Grizzana-S.Rufillo 29 S.Rufillo-Bologna 12 Compiobbi-Incisa 16,7 Incisa-Figline 5 Figline-Ponticino 24 Rifredi-S.Donato 20 S.Donato-Montevarchi 23 Montevarchi-Valdarno 7 Valdarno-Ponticino 7,7 La SSE della linea AV è situata in località Castello, a meno di 5 km da Rifredi. Questa sottostazione AV è una sottostazione terminale ed alimenta la linea a 2x25 kv 50 Hz. A tal proposito si ricorda che le specifiche di progetto, previste per il sistema A.V. italiano, prevedono la circolazione di treni da 12 MW, impostati alle velocità di 300 km/h, distanziati di 5 minuti. All interno dello schema, sono presenti 6 SSE della linea storica equipaggiate con gruppi di conversione con raddrizzatori a ponte dodecafase: S.Viola, S.Ruffillo, Compiobbi, S.Donato, Prato e Rifredi. Le rimanenti SSE sono tutte realizzate con gruppi di conversione con raddrizzatori a ponte esafase. III. Alimentazione dissimmetrica di una SSE in c.c. La severità della dissimmetria dell alimentazione in un qualsiasi nodo di rete è molto spesso quantificata attraverso il fattore di dissimmetria della tensione, Kd, definito come il rapporto tra la componente di sequenza inversa della tensione nodale, V i, e la componente di sequenza diretta della tensione nodale, V d, usualmente espresso come valore percentuale: Kd = 100. Per limitare gli effetti negativi prodotti da una alimentazione dissimmetrica ai carichi connessi alla rete, occorre contenere adeguatamente tale disturbo e, conseguentemente, limitare il valore del fattore di dissimmetria Kd in tutti i nodi di rete. A riguardo, la norma CEI EN [5] impone, per le reti in Alta Tensione (AT), valori massimi del coefficiente di dissimetria (Kd) inferiori al 2%. Con riferimento agli effetti che una alimentazione dissimmetrica può provocare sul funzionamento di una SSE in corrente continua, a seguire si riportano alcuni risultati relativi all analisi armonica effettuata su una tipica SSE a 3 kv c.c. della rete ferroviaria italiana equipaggiata con gruppi di conversione dodecafase in presenza di una crescente dissimmetria dell alimentazione. A tal proposito, si ricorda che, in condizioni ideali dell alimentazione, nel caso di un raddrizzatore a ponte esafase (dodecafase), le armoniche presenti sul lato corrente alternata e sul lato corrente continua sono multiple della fondamentale ed in particolare di ordine 6k±1 (12k±1) sul lato c.a., mentre di ordine 6k (12k) sul lato c.c., con k numero intero. Alimentando una sottostazione con una terna dissimmetrica di tensioni nascono, sia sul lato corrente alternata che sul lato corrente continua, armoniche non caratteristiche. In particolare, tra le armoniche non caratteristiche presenti sul lato corrente continua, ai fini della sicurezza del sistema ferroviario, rivestono particolare interesse quelle armoniche la cui frequenza è prossima alla frequenza utilizzata nei circuiti di segnalamento e controllo. A tal proposito è interessante analizzare il comportamento della seconda armonica (100 Hz) che risulta, tra le armoniche non caratteristiche, anche quella con i valori di ampiezza più elevati. Le figure 2 e 3 mostrano, rispettivamente, l ampiezza della tensione armonica di ordine 2 al variare del fattore di dissimmetria Kd e della potenza del carico di trazione. Dall analisi delle figure 2 e 3 è evidente che l ampiezza della armonica a 100 Hz assume valori tutt altro che trascurabili ed inoltre, tale ampiezza: Vh [V] cresce al crescere del fattore di dissimmetria Kd; per un fissato valore di Kd, decresce al crescere della potenza richiesta dal carico di trazione h=2 0 0,0 0,5 1,0 1,5 K d [% ] Fig. 2. Ampiezza della seconda armonica della tensione di alimentazione della linea di contatto, nel caso di SSE equipaggiata con raddrizzatore a ponte dodecafase, al variare di Kd Vh [V] h=2 0 1,0 3,0 5,0 7,0 9,0 11,0 Potenza carico [MW] Fig. 3. Ampiezza della seconda armonica della tensione di alimentazione della linea di contatto, al variare del carico e per Kd=0.7%, nel caso di una SSE equipaggiata con gruppi di conversione a ponte dodecafase

4 In caso di SSE equipaggiate con gruppi di conversione con ponte esafase, si hanno risultati praticamente identici. Il motivo per cui la seconda armonica assume valori elevati è dovuto alla presenza del filtro lato corrente continua delle SSE. Tale filtro schematizzato in figura 4, è costituito da una induttanza con in serie un cappio RC; i valori dei parametri sono: Ldc = 6 mh; Cdc = 360 µf; Rdc = 13.8 kω. In particolare, la figura 5 mostra la risposta in frequenza del suddetto filtro al variare della Resistenza rappresentativa del carico di trazione. Fig. 6. Maschera del contenuto armonico della corrente di trazione Fig. 4. Rappresentazione circuitale del filtro sul lato corrente continua dei gruppi di conversione delle sottostazioni in c.c.. Fig. 5. Risposta in frequenza del filtro lato corrente continua al variare della resistenza di carico Come si evince dalla figura 5, il filtro esalta la seconda armonica e i suoi valori sono crescenti al diminuire del carico di trazione. Le armoniche di tensione in uscita al raddrizzatore danno luogo alla circolazione di armoniche di corrente che, richiudendosi tramite il binario, possono interferire con il buon funzionamento dei circuiti di binario degli impianti di segnalamento, con conseguente decadimento della sicurezza della circolazione treni. Per garantire livelli di sicurezza accettabili, è necessario fare in modo che le ampiezze delle armoniche di corrente che interessano il circuito di binario rispettino la maschera riportata in figura 6 [6]. IV. Interazione tra il sistema AV ed il sistema tradizionale 3 kv c.c. Con riferimento all esercizio della porzione di rete ferroviaria riportata in figura 1 sono state studiate varie configurazioni. In particolare i casi analizzati sono stati: Caso A: Assenza della sottostazione AV di Castello. Caso B: Sottostazione AV di Castello alimentata direttamente dal nodo Calenzano; Caso C: Alimentazione delle sbarre Rifredi dal nodo Calenzano attraverso una linea di collegamento esistente tra Castello e Rifredi; Caso D: Sottostazione A.V. di Castello alimentata dalle sbarre Rifredi, in totale assenza dell alimentazione del nodo di Calenzano. In tutti i casi analizzati: - le sbarre di Rifredi sono connesse in parallelo; - non sono considerate le alimentazioni AT provenienti da Cascina e da Bologna; - le sottostazioni della linea storica in c.c., equipaggiate con due gruppi di conversione, alimentano un carico di trazione di 4 MW. Le figure da 7 a 10 riportano gli schemi unifilari di rete relativi ai diversi casi studio riportati. Fig. 7. Schema unifilare Caso A

5 La figura 11 mostra i valori dei THD V rilevati per il caso studio A; come si nota, i valori non superano il 6%, in tutte le SSE. Fig. 8. Schema unifilare Caso B Fig. 11. THD Tensioni Caso A Fig. 9. Schema unifilare Caso C Con riferimento al caso studio B, la figura 12 riporta i valori dei THD V rilevati nei nodi di alimentazione delle SSE in c.c. Come si nota i THD V assumono valori compresi tra il 2,5% e il 6,5 %.. La figura 13 riporta, sempre per il caso B, il valore delle armoniche di corrente a frequenza 100 Hz sul lato c.c. delle SSE. In tutte le SSE tale valore non supera 1 A e quindi rispetta il limite imposto. Anche il fattore di dissimmetria Kd, in questo caso studio, assume in tutti i nodi valori molto contenuti (sempre inferiore allo 0,12%). Fig. 10. Schema unifilare Caso D Tutte le analisi sono state condotte con l applicativo SimPowerSystems di Matlab e, in particolare, per ogni configurazione è stato valutato: - il fattore di distorsione armonica totale delle tensioni (THD V ) in tutti i nodi della rete primaria trifase di trazione a cui sono connesse le SSE; - il fattore di dissimetria (Kd) in tutti i nodi della rete primaria trifase di trazione a cui sono connesse le SSE in c.c.; - il valore della armonica di corrente di ordine 2 (f=100 Hz) in uscita alle SSE in c.c.. Nel seguito si riportano alcuni dei risultati ottenuti nei diversi casi studio. Fig. 12. THD Tensioni Caso B Fig. 13. Corrente a 100 Hz sul binario Caso B

6 Nel caso studio C, il THDv nei nodi trifase a cui sono allacciate le SSE in c.c assume valori elevati, sempre superiori al 6%. Il fattore Kd, come illustrato in fig. 14, cresce rispetto ai casi studio precedenti raggiungendo valori dello 0,7%. La figura 15 mostra, sempre per il caso C, il valore delle armoniche di corrente a frequenza 100 Hz sul lato c.c. delle SSE. In questo caso in 3 SSE della linea storica Bologna- Firenze il valore supera il limite dei 10 A. Fig. 17. Corrente a 100 Hz sul binario Caso D Fig. 14. Fattore Kd Caso C Fig. 15. Corrente a 100 Hz sul binario Caso C Nel caso studio D, il THDv nei nodi trifase a cui sono allacciate le SSE in c.c continua ad assumere un valore elevato superiore al 6%. Anche il fattore Kd (fig. 16) continua a crescere raggiungendo in molti nodi valori superiori a 1%. Infine, la figura 17 mostra, sempre per il caso D, il valore delle armoniche di corrente a frequenza 100 Hz sul lato c.c. delle SSE. In questo caso in ben 6 SSE sono superati, sul lato c.c., i 10 A di seconda armonica. Fig. 16. Fattore Kd Caso D Le simulazioni hanno evidenziato che, al fine di contenere il THD V, è necessario gestire in maniera separata le 2 sbarre di Rifredi: in tal modo, i carichi distorcenti delle varie SSE vanno a gravare su linee indipendenti ed i valori dei THD V scendono al di sotto del 3%. Per quanto riguarda l ipotesi di realizzazione della nuova SSE di Prato, dalle simulazioni sono emersi valori elevati del THD V (circa il 10% nei casi A e B, e superiori al 15% nei casi C e D), dovuti a fenomeni di risonanza tra trasformatore 132/20 kv e cavo a 20 kv. Per contenere il THD V, dovranno essere installati appositi filtri di armoniche in prossimità della partenza della linea in cavo a Rifredi o all interno della stessa SSE di Prato. Il caso C può essere ancora compatibile con il normale esercizio ferroviario, a patto di alimentare, con l elettrodotto proveniente da Bologna, le SSE di Vaiano, Cà di Landino e Grizzana. Infine, si evidenzia che la soluzione D, da attuare solo in caso di completo fuori servizio dei due stalli di Calenzano, risulta particolarmente problematica dal punto vista delle correnti a 100 Hz sul binario. In tale configurazione, sarà necessario imporre limitazioni di velocità ai treni sulla linea AV, potendo comunque garantire l alimentazione di soccorso per la sicurezza in galleria, imposta dalle specifiche tecniche di interoperabilità [7]. Riferimenti [1] G. Carpinelli, P. Caramia, P. Verde: Power Quality Indices in Liberalized Markets John Wiley & Son, Ltd, [2] A.Capasso, A.Ghilardi, G.Guidi Buffarini: Bologna-Florence high speed railway line: MV emergency traction power supply, operating conditions and PQ issues, IEEE ESARS 2010, Bologna. [3] A. Capasso, R. Lamedica, A. Prudenzi, G. Vallino Costassa: Mutua influenza tra i sistemi di elettrificazione ferroviaria a 3 kv c.c. e a 2x25 kv-50 Hz alimentati da un'unica rete in A.T., Riunione Annuale AEI, Ancona, 3-6 Ottobre [4] A. Capasso, R. Lamedica, A. Prudenzi, V. Morelli: Harmonic distortion caused by d.c. electrified railway systems: a contribution to the setting of recommended limits, IEEE IV ICHQP, Budapest, October, [5] Norma CEI EN 50160: Caratteristiche della tensione fornita dalle reti pubbliche di distribuzione dell energia elettrica. [6] Disposizione RFI-DTC\A0011\P\2008\ Maschera del contenuto armonico della corrente di trazione dei mezzi circolanti sulle linee alimentate a 3 kv c.c.. [7] Direttiva 2008/284/CE: Specifica tecnica di interoperabilità per il sottosistema energia del sistema ferroviario transeuropeo ad alta velocità.