8. Linee elettriche, apparecchi di protezione e manovra, rifasamento

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1 Corso di Elementi di ingegneria elettrica di potenza Angelo Baggini 8. Linee elettriche, apparecchi di protezione e manovra, rifasamento Corso di Elettrotecnica NO Fenomeni termici nei cavi (1) n un cavo si sviluppa calore in conseguenza delle perdite per effetto Joule nel/i conduttore/i perdite nello schermo per correnti parassite (1) perdite nel dielettrico (isolante) (2) (1) La quantità di calore sviluppata, dovuta alle perdite nello schermo assumono valori rilevanti solo per cavi unipolari schermati (2) Normalmente la quantità di calore sviluppata, dovuta alle perdite nel dielettrico è trascurabile per cavi aventi tensione non superiore a 30 kv fatta eccezione per i cavi isolati in PVC aventi tensione nominale 10 kv Fenomeni termici nei cavi (2) l calore sviluppato all interno del conduttore si accumula nel conduttore determinandone l aumento di temperatura si trasmette all ambiente circostante per conduzione per convezione

2 Fenomeni termici nei cavi (3) La quantità di calore accumulato nel conduttore dipende dalla capacità termica del conduttore stesso che è funzione: della capacità termica specifica del materiale (c) ccu = 3,45 x 10 6 J/K m 3 cal = 2,50 x 10 6 J/K m 3 della sezione del conduttore La quantità di calore trasmesso all ambiente dipende dalla modalità di trasmissione del calore (convezione, conduzione) dalla resistenza termica del circuito Fenomeni termici nei cavi (4) Le modalità di trasmissione del calore dalla superficie del conduttore all ambiente di riferimento (aria) nei casi d interesse sono: trasmissione per conduzione (ad esempio nel caso di cavi interrati) trasmissione per convezione (ad esempio nel caso di cavi installati in aria) Fenomeni termici nei cavi (5) La resistenza termica del circuito è funzione della resistività termica del/i mezzo/i attraverso i quali il calore si trasmette dalla superficie del conduttore all ambiente di riferimento della geometria del problema Fenomeni termici nei cavi (6) A regime si stabilisce una condizione di equilibrio dinamico nella quale all interno del conduttore si è accumulata una quantità di calore tale da portare la temperatura del conduttore stesso ad un valore per il quale la differenza di temperatura tra il conduttore e l ambiente consente di smaltire verso l esterno (ambiente) tutto il calore sviluppato all interno del cavo.

3 Fenomeni termici nei cavi (7) permanente (1) La portata di un cavo è la massima corrente che un cavo può trasmettere in condizioni di installazione e di esercizio determinate senza che i conduttori superino la massima temperatura ammissibile. La portata di un cavo si riferisce a condizioni di regime permanente. l calcolo della portata di un cavo comporta quindi la soluzione di un problema di trasmissione di calore. permanente (2) L espressione generale della soluzione del problema termico e quindi della portata è: z = θ lim θ ( + + ) nr R R R a ϑc ϑa ϑx permanente (3) dove: -Rϑcè la resistenza termica totale del cavo -Rϑaè la resistenza termica tra la superficie del cavo e l ambiente di riferimento (aria) -Rϑx è la resistenza termica equivalente per tener conto del riscaldamento mutuo tra cavi - θlim è la temperatura massima ammissibile (massima temperatura di servizio CE 20-21) - θa è la temperatura ambiente - R è la resistenza elettrica del conduttore calcolata per θlim - n è il numero di conduttori percorsi da corrente nel cavo

4 permanente (4) Dalla formula precedente si evince che la portata in regime permanente di un cavo non è una caratteristica legata esclusivamente alla sezione del conduttore ma è una caratteristica di un cavo: di un determinato tipo di sezione data in determinate condizioni di installazione. permanente (5) La portata di un cavo dipende infatti: dalle modalità costruttive del cavo e dal tipo di isolante ( Rθc, n e θlim) dalla sezione del conduttore ( R) che determina la quantità di calore sviluppato all interno del conduttore dalle condizioni di posa ( θa, Rθa e Rθx) che influenzano le modalità di trasmissione di calore. permanente (6) valori della massima temperatura di servizio (θlim) che devono essere assunti nel calcolo della portata di un cavo in regime permanente sono indicati dalla Norma CE (vedi tabella 1 successiva). valori della temperatura ambiente (θa) che devono essere assunti nel calcolo della portata di un cavo in regime permanente sono indicati dalla Norma CE (vedi tabella 2 successiva). permanente (7) Tabella 1 solante Massima temp. di servizio C solante Massima temp. di servizio C Carta impregnata con Gomma qualità E11 60 miscela stabilizzata in sistemi con Umax 3,6 kv 80 Gomma qualità G2 e 85 G6 in sistemi con Umax > 3,6 kv 75 Gomma qualità G5, 90 G7, G9, G10 Carta impregnata con Gomma siliconica 180 miscela migrante qualità E12 in sistemi con Umax 3,6 kv 80 Polivinilcloruro 70 qualità T11 e T12 in sistemi con Umax = 7,2 kv 75 Polivinilcloruro 70 qualità R2 in sistemi con Umax = 12 e 17,5 70 Polietilene reticolato 90 kv in sistemi con Umax = 24 kv 65 Minerale con guaina Guaina metallica: 70 in PVC oppure nudo accessibile in sistemi con Umax = 30 e Minerale nudo e non Guaina metallica: 105 kv accessibile e non in contatto con materiali combustibili Carta impregnata con olio fluido 90

5 permanente (8) Tabella 2 Clima Temperature dell aria Temperature del terreno a 1 m di profondità Minimo ( C) Massimo ( C) Minimo ( C) Massimo ( C) Tropicale Sub-Tropicale Temperato Le portate dei cavi devono essere calcolate per la temperatura massima - Se richiesto, i valori minimi saranno usati per la portate invernali Fusibili Relé Protezione contro le sovracorrenti Elettromeccanici Elettronici Caratteristiche Magnetiche Termica Magnentotermica Apparecchi di protezione (e manovra) nterruttori interruttori ad aria compressa interruttori in olio interruttori ad esafluoruro di zolfo interruttori a soffio magnetico interruttori a vuoto Origine: nterna Esterna Protezione contro le sovratensioni Contattori Sezionatori

6 Protezione contro i fulmini Protezione contro i fulmini Sorgente di danno Punto colpito S1 S3 S2 S4 tipi di danno l fulmine può produrre tre tipi di danno: D1 : danni ad esseri viventi (dovuti a tensioni di contatto e di passo) D2 : danni fisici (dovuti a incendi, esplosioni, rotture meccaniche, rilascio di sostanze tossiche, ecc.) D3 : avarie di apparecchiature elettriche ed elettroniche (dovute a sovratensioni) Protezione contro i fulmini Perdite e rischi Uno stesso danno può produrre più tipi di perdite: L1 : perdita vite umane Rischio R1 L2 : perdita servizio pubblico Rischio R2 L3 : perdita patrimonio culturale Rischio R3 L4 : perdita economica Rischio R4 Protezione contro i fulmini Obbligo protezione Rischio R1, R2 ed R3 obbligatoria Rischio R4 facoltativa ma sempre consigliabile perché consente di: scegliere il sistema di protezione più conveniente evitare future contestazioni

7 Valutazione del rischio: Componenti di rischio Area di raccolta della struttura per fulminazione diretta: A d Area di raccolta per fulmini sul servizio A L e vicino al servizio A l R A ( Persone) R B ( Materiali) R C ( Apparati) R M ( Apparati) R U ( Persone) R Z ( Apparati) R V ( Materiali) R W ( Apparati) A l R1: Perdita di vite umane = R A + R B + R U + R V + R C + R W + R M + R Z ( Ospedali, Esplosione) A L servizio R2: Perdita di servizio pubblico = R B + R C + R V + R W + R M + R Z R3: Perdita di beni culturali = R B + R V R4: Perdita economica = R B + R C + R V + R W + R M + R Z Strategia - Livelli di protezione Parametri di fulmine 0,99 0,97 0,910,84 Distribuzione di Probabilità (p.u.) 0,97 0,98 0,99 Verso: Discendenti Ascendenti Polarità: Positiva Negativa Composizione Durata colpi: Breve (< 2ms) Lungo (> 2ms) Ampiezza corrente di fulmine Norma CE EN Tabella 5 Tabella 7 Probabilità per i limiti dei parametri della corrente di fulmine Probabilità che i parametri della corrente di fulmine siano V O 1 nferiori ai valori massimi definiti 0,99 0,98 0,97 0,97 Superiori ai valori minimi definiti 0,99 0,97 0,91 0,84

8 Strategia - Livelli di protezione Protezione contro i fulmini Norma CE EN Tabella 5 Valori massimi dei parametri di fulmine e dei corrispondenti livelli di protezione Parametri della corrente Valore di picco Carica in un colpo breve Energia specifica Tempi Parametri della corrente Valore di picco Pendenza media Tempi Parametri della corrente Carica in un colpo lungo Tempi Parametri della corrente Carica nel fulmine Primo colpo breve Colpi brevi successivi Colpi lunghi Fulmine Simbolo Q short W/R T 1 /T 2 Simbolo di/dt T 1 /T 2 Simbolo Q long T long Simbolo Q flash Unità ka C kj/ω µs/µs Unità ka ka/µs µs / µs Unità C s Unità C , ,25 / / 350 0,5 - V V V V 150 La protezione ideale Racchiudere la struttura entro un contenitore metallico chiuso messo a terra Collegare al contenitore metallico, direttamente o tramite SPD, tutti i servizi entranti Esempio di struttura divisa in zone di protezione LPZ O A Struttura: rappresenta lo schermo 1 LPZ O B LPS Esterno LPZ 1 Stanza: rappresenta lo schermo 2 B.B. 2 LPZ 2 B.B. 1 Schermo Cavi, linee LPZ 0 B (o maggiore) per ridurre i danni fisici LPZ 1 (o maggiore) per ridurre le avarie di apparecchiature Dispersore