IL RIFASAMENTO. La necessità del rifasamento

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1 IL RIFASAMENTO La necessità del rifasamento Il rifasamento degli impianti ha acquistato importanza dal momento che l ente di distribuzione dell energia elettrica ha imposto clausole contrattuali [1] che di fatto obbligano l utente a rifasare il proprio impianto, per una migliore e più economica utilizzazione dell energia. In particolare, per gli impianti in bassa tensione e con potenza impegnata maggiore di 15 kw: 1. quando il fattore di potenza medio mensile è inferiore a 0,7, l utente è obbligato a rifasare l impianto (zona rossa nella tab. 1); 2. quando il fattore di potenza medio mensile è compreso tra 0,7 e 0,9, non c è l obbligo di rifasare l impianto ma l utente paga una penale per l energia reattiva (zona gialla nella tab. 1); 3. quando il fattore di potenza medio mensile è superiore a 0,9, non c è l obbligo di rifasare l impianto e non si paga nessuna penale per l energia reattiva (zona verde nella tab. 1). L utente è quindi sollecitato a rifasare almeno fino ad un cos φ m = 0,9. Potrebbe però avere convenienza ad un rifasamento anche maggiore per i benefici che ne derivano dalle minori perdite e cadute di tensione nel proprio impianto. Il rifasamento deve comunque essere effettuato, secondo le vigenti normative, in modo che, in nessun caso, l impianto dell utente eroghi energia reattiva di tipo capacitivo alla rete. Il fattore di potenza Gli impianti elettrici che alimentano gli apparecchi utilizzatori sono dimensionati in proporzione alla potenza apparente, che corrisponde al prodotto della tensione per la corrente. In certi apparecchi utilizzatori (come le lampade a filamento, gli scaldacqua, certi tipi di forno) la potenza apparente assorbita è tutta potenza attiva. Questa produce nel tempo energia attiva utilizzata nelle sue varie forme: calore, luce. A = Potenza apparente (kva) P = Potenza attiva (kw) Q = Potenza reattiva (kvar) Fig. 1 - Triangolo delle potenze 1

2 Invece negli apparecchi utilizzatori con avvolgimenti (motori, saldatrici, lampade fluorescenti con alimentatori, trasformatori) una parte della potenza apparente assorbita viene impegnata per eccitare i circuiti magnetici e non è quindi impiegata come potenza attiva, bensì come potenza magnetizzante comunemente chiamata potenza reattiva. Potenza apparente, potenza attiva e potenza reattiva stanno tra loro come l ipotenusa e i cateti di un triangolo rettangolo (ved. fig. 1), dove: P ( potenza attiva) = A ( potenza apparente) cosϕ (1) Q ( potenza reattiva) = A ( potenza apparente) senϕ (2) Il fattore di potenza (cos ϕ ) è definito dal rapporto tra la potenza attiva e la potenza apparente, ma si può anche ricavare in funzione della potenza attiva e di quella reattiva: P ( potenza attiva) P 1 cosϕ = = = (3) A ( potenza apparente) P + Q Q 1+ P Il fattore di potenza è uguale a 1 nel primo caso sopra considerato (solo potenza attiva assorbita), inferiore a 1 nel secondo caso. Il fattore di potenza si indica con cos ϕ (che si legge cosfì). Quando la potenza attiva è molto inferiore alla potenza apparente, si ha un basso fattore di potenza. Se si considerano assorbimenti costanti nell unità di tempo, il fattore di potenza si può determinare sulla base delle letture del contatore di energia attiva e del contatore di energia reattiva, considerando che il fattore di potenza è praticamente uguale a (ved. formula n. 3): 1 cosϕ (4) 2 E r 1+ Ea Tab. 1 Determinazione del fattore di potenza medio dalle letture dei contatori di energia reattiva (E r ) e attiva (E a ) E r / E a Cos ϕ E r / E a Cos ϕ E r / E a Cos ϕ E r / E a Cos ϕ 0,11 0,17 0,99 0,59 0,60 0,86 0,93 0,95 0,73 1,32 1,35 0,60 0,18 0,23 0,98 0,61 0,63 0,85 0,96 0,97 0,72 1,36 1,38 0,59 0,24 0,27 0,97 0,64 0,66 0,84 0,98 1,00 0,71 1,39 1,42 0,58 0,28 0,31 0,96 0,67 0,68 0,83 1,01 1,03 0,70 1,43 1,46 0,57 0,32 0,34 0,95 0,69 0,71 0,82 1,04 1,06 0,69 1,47 1,50 0,56 0,35 0,38 0,94 0,72 0,73 0,81 1,07 1,09 0,68 1,51 1,54 0,55 0,39 0,41 0,93 0,74 0,76 0,80 1,10 1,12 0,67 1,55 1,58 0,54 0,42 0,44 0,92 0,77 0,79 0,79 1,13 1,15 0,66 1,59 1,62 0,53 0,45 0,47 0,91 0,80 0,81 0,78 1,16 1,18 0,65 1,63 1,66 0,52 0,48 0,49 0,90 0,82 0,84 0,77 1,19 1,21 0,64 1,67 1,71 0,51 0,50 0,52 0,89 0,85 0,86 0,76 1,22 1,25 0,63 1,72 1,75 0,50 0,53 0,55 0,88 0,87 0,89 0,75 1,26 1,28 0,62 0,56 0,58 0,87 0,90 0,92 0,74 1,29 1,31 0,61 2

3 Se indichiamo con E r e E a rispettivamente l energia reattiva (in kvarh) e attiva (in kwh) consumate in un certo periodo (dedotte dalle letture dei rispettivi contatori) e facciamo il rapporto E r /E a, nella tab. 1 in corrispondenza di tale rapporto ricaviamo direttamente il valore del fattore di potenza. Se, ad esempio, in quel predeterminato periodo, si è rilevato un consumo di kwh e kvarh si ha: E E r a = = 0,68 dalla tab. 1, in corrispondenza di tale valore, si ricava un cos ϕ = 0,83. Le eventuali penali per l energia reattiva vengono calcolate dall ente distributore dell energia elettrica sulla base del fattore di potenza medio nel periodo di fatturazione. Che cos è il rifasamento? Si definisce rifasamento qualsiasi provvedimento inteso ad aumentare (o come si dice comunemente a migliorare ) il fattore di potenza di un dato carico, allo scopo di ridurre, a pari potenza attiva assorbita, il valore della corrente che circola nell impianto. Il fattore di potenza si può migliorare innanzitutto utilizzando in modo razionale gli apparecchi elettrici. In particolare, motori e trasformatori non debbono funzionare a carico ridotto per tempi molto lunghi o a vuoto (e pertanto vanno correttamente dimensionati!), onde evitare che il rapporto tra la potenza reattiva (per la corrente magnetizzante) e la potenza attiva (utile per essere trasformata in lavoro meccanico, calore, luce, ecc.) sia superiore o uguale a 0,5 (ved. tab. 1). Quando è necessario, il provvedimento più economico consiste nell installazione, in parallelo al carico da rifasare, di condensatori statici di appropriata capacità. Mentre gli apparecchi con avvolgimenti assorbono per il loro funzionamento potenza reattiva, un condensatore inserito in un circuito elettrico genera tale tipo di potenza. Si ha così una compensazione e il fattore di potenza dell impianto risulta migliorato. IL resistenza di linea IU IC apparecchio utilizzatore batteria di condensatori di rifasamento resistenza di linea Fig. 2 circuito utilizzatore 3

4 Nel circuito di fig. 2, rappresentativo della quasi totalità degli impianti elettrici che sono generalmente ohmico-induttivo, - prima dell inserimento del condensatore di rifasamento, la corrente I L sulla linea (fig. 3), coincidente con la corrente I U assorbita dall apparecchio utilizzatore, può essere rappresentata da due componenti: una corrente attiva Ia (in fase con la tensione applicata all apparecchio) ed una corrente reattiva Ir di tipo induttivo (in ritardo di 90 ); - inserendo il condensatore, a parità di corrente attiva assorbita, la corrente sulla linea si riduce (I L di fig. 4), dato che il condensatore assorbe anch esso una corrente reattiva, ma in anticipo di 90 rispetto alla tensione, compensando in parte quella reattiva dell apparecchio utilizzatore. V V I a I L I a I L' I L I r I C I r - IC I r Fig. 3 corrente linea senza condensatore Fig. 4 corrente linea con condensatore Dato che la diminuzione della corrente si traduce in una riduzione delle perdite di energia (ad es., per effetto joule sulla resistenza della linea di distribuzione) ed in una diminuzione delle potenze apparenti degli apparecchi (con risparmio sul dimensionamento) in tutto l impianto elettrico a monte del rifasamento, è evidente la convenienza di un rifasamento il più capillare possibile, prossimo ai punti dove la potenza reattiva di tipo induttivo viene assorbita. Naturalmente la potenza dei condensatori necessari per rifasare un impianto deve essere calcolata in modo da conseguire l effetto desiderato (riduzione del fattore di potenza), senza però incorrere in eccessi di potenza reattiva generata (di tipo capacitivo). In nessun caso, secondo le vigenti normative di legge, l impianto dell utente deve erogare potenza reattiva verso la rete. La potenza da installare per rifasare un impianto da cos ϕ a cos ϕ viene calcolata con la seguente semplice espressione: dove: Q = P ( tgϕ tgϕ') (5) Q P è la potenza reattiva della batterie di condensatori da installare, in kvar; è la potenza attiva assorbita dall impianto, in kw; 4

5 tg ϕ e tg ϕ rappresentano il rapporto tra la potenza reattiva e la potenza attiva (ved. il triangolo delle potenze di fig. 1) calcolato nelle diverse situazione di carico (fig. 3 e fig. 4). I valori di tg ϕ e tg ϕ (rapporti tra potenze) coincidono con i rapporti E r /E a (rapporti tra le corrispondenti energie) della tab. 1, purchè vengano considerati assorbimenti costanti nell unità di tempo. Ad esempio, volendo rifasare fino a cos ϕ = 0,9 un impianto che preleva mediamente dalla rete 50 kw con un cos ϕ = 0,5 occorre una batteria di condensatori di potenza: Q = 50 (1,75 0,48) = 50 1,27 = 63, 5 kvar (I valori di 1,75 e 0,48 si ricavano dalla tab. 1 in corrispondenza dei fattori di potenza iniziale e finale). Nel caso di fornitura di energia a fasce orarie, se si vuole determinare la potenza necessaria per il rifasamento in qualunque condizione di funzionamento, il calcolo andrebbe ripetuto per ogni fascia oraria, per tener conto eventualmente delle diverse situazioni di carico. Naturalmente, il rifasamento degli impianti offre parecchi vantaggi e, in alcuni casi, è anche obbligatorio, ma comporta dei costi e degli obblighi che derivano dalle prescrizioni di sicurezza per l installazione e l esercizio dei condensatori. Prescrizioni di sicurezza per l installazione e l esercizio dei condensatori Le Norme CEI forniscono le prescrizioni per l installazione e l esercizio, nonché le caratteristiche tecniche, dei condensatori statici da impiegare per il rifasamento degli impianti. A differenza della maggior parte degli apparecchi elettrici, i condensatori statici di rifasamento, quando energizzati, funzionano in modo continuativo a pieno carico. Poiché sovraccarichi e sovrariscaldamenti abbreviano la vita del condensatore, le condizioni di esercizio (ossia temperatura, tensione e corrente) devono essere tenute sotto stretto controllo. Occorre inoltre sottolineare che l introduzione di una capacità concentrata in un impianto può determinare condizioni di funzionamento anomali (per es., amplificazione delle armoniche, autoeccitazione di macchine, sovratensioni dovute a manovre, cattivo funzionamento dei sistemi di telecomando ad audiofrequenza, ecc.). I condensatori che vengono comunemente impiegati sono del tipo a film sintetico metalizzato. Una pellicola di polipropilene vene ricoperta, per mezzo di un processo di vaporizzazione, da un sottilissimo strato metallico di alluminio o di zinco. I film possono essere di tipo ordinario oppure autorigenerabili che reintegrano per effetto del calore la parte danneggiata da una scarica. Il tipo autorigenerabile consente, a parità di prestazioni, minori dimensioni. I materiali utilizzati devono essere atossici e quindi smaltibili senza particolari precauzioni. Dati i diversi tipi di condensatori esistenti e i numerosi fattori coinvolti, non è possibile dare semplici regole di installazione e di funzionamento valide per tutti i 5

6 casi che si possono verificare. Le seguenti informazioni riguardano gli aspetti più importanti che devono essere presi in considerazione e sono ricavabili dalla Norma CEI EN (nel seguito denominata Norma [2]) per i condensatori statici di rifasamento di tipo autorigenerabile per impianti di energia a corrente alternata con tensione nominale inferiore o uguale a 1000 V. Scelta della tensione nominale La tensione nominale del condensatore deve essere almeno uguale alla tensione di esercizio della rete a cui il condensatore viene collegato, tenendo conto dell influenza del condensatore stesso. In alcune reti può esistere una considerevole differenza tra la tensione nominale e quella di esercizio. Nella tab. 2 sono riportate le massime tensioni e correnti ammissibili previste dalla Norma. L ampiezza delle sovratensioni che possono essere tollerate senza significativi deterioramenti dipende dalla loro durata, dal loro numero e dalla temperatura. Tab. 2 Massime tensioni e correnti ammesse sui condensatori Tipo Fattore di tensione x Un (valore efficace) Durata massima Osservazioni A frequenza industriale A frequenza industriale, con armoniche A frequenza industriale, con armoniche 1,00 Continua 1,10 8 h ogni 24 h 1,15 30 min ogni 24 h Massimo valor medio durante un qualsiasi periodo di energizzazione. Per periodi di energizzazione inferiori a 24 h si applicano le sottoindicate eccezioni. Regolazioni e fluttuazioni della tensione di rete Regolazioni e fluttuazioni della tensione di rete 1,20 5 min Aumento di tensione a basso carico 1,30 1 min Fattore di corrente x In Osservazioni (valore efficace) Questo fattore tiene conto dell effetto combinato delle 1,3 armoniche e delle sovratensioni. 1,5 Questo fattore tiene conto dell effetto combinato delle armoniche, delle sovratensioni e della tolleranza di capacità (15%). Le sovratensioni di lunga durata, riportate nella tab. 2, devono essere contenute entro i limiti di tempo indicati, altrimenti le prestazioni e la durata dei condensatori possono essere negativamente influenzate. Come si può rilevare, ad esempio, dal grafico di fig. 5, la vita del condensatore si riduce del 50 % per una sovratensione permanente di appena il 10 %. Per determinare la tensione da prevedere tra i terminali del condensatore, la Norma fa le seguenti considerazioni: 6

7 a) I condensatori statici di rifasamento possono causare un aumento permanente di tensione dalla sorgente di alimentazione fino al punto in cui sono installati, dato dalla seguente espressione: dove: ΔU Q = U S (6) Δ U è l aumento di tensione in volt (V); U è la tensione prima del collegamento del condensatore (V); S è la potenza di cortocircuito (kva) nel punto in cui il condensatore è installato; Q è la potenza reattiva del condensatore (kvar). Tale aumento di tensione può essere ancora più elevato a causa della presenza di armoniche. Pertanto i condensatori possono essere soggetti ad un valore di tensione più alto di quello misurato prima che i condensatori fossero collegati. b) La tensione nominale del condensatore può essere particolarmente alta in condizioni di basso carico; in tali casi alcuni o tutti i condensatori devono essere esclusi dal circuito per evitare la sovrasollecitazione dei condensatori ed un eccessivo aumento della tensione nella rete. Classi di temperatura dell aria ambiente e temperatura d esercizio I condensatori sono classificati dalla Norma in classi di temperatura, dove ogni classe viene specificata da un numero seguito da una lettera. Il numero indica la più bassa temperatura dell aria ambiente alla quale il condensatore può funzionare. La lettera indica il limite superiore della gamma di variazione di temperatura, i cui valori sono riportati nella tab. 3. Tab. 3 Classi di temperatura Temperatura dell aria ambiente Simbolo massima Massimo valore medio per ogni periodo 24 h 1 anno A B C D Qualsiasi combinazione di valori minimi e massimi può essere scelta come classe di temperatura normalizzata di un condensatore. Le classi di temperatura preferenziali sono : (- 40/A), (- 25/A), (- 5/A) e ( 5/C). Si deve prestare molta attenzione alla temperatura di esercizio del condensatore, in quanto questa esercita una forte influenza della durata. Le temperature superiori 7

8 ai limiti massimi previsti accelerano la degradazione elettrochimica del dielettrico (ved. grafico di fig. 6). In particolare, i condensatori devono essere collocati in modo che ci sia adeguata dissipazione, per convenzione e per irraggiamento, del calore prodotto dalle perdite del condensatore. La ventilazione del locale dove sono installati i condensatori e la disposizione delle unità capacitive deve garantire una buona circolazione dell aria intorno a ciascuna unità. Questo riveste particolare importanza per le unità installate in file sovrapposte. 100 % Vita del condensatore 100 % Vita del condensatore 50 % 40 % 25 % 15 % 20 % 1 1,1 1,2 1,3 1,4 x Un 10 % C Fig. 5 Diminuzione della vita del condensatore in funzione del coefficiente di sovratensione permanente Fig. 6 Diminuzione della vita del condensatore in funzione della temperatura ambiente media (a tensione costante) Sovraccarichi di corrente I condensatori non devono mai funzionare con correnti superiori ai valori specificati nella tab. 2. I sovraccarichi di corrente possono essere causati o da un eccessiva tensione alla frequenza fondamentale, o dalle armoniche o da entrambe le cause. Le principali sorgenti di armoniche sono i raddrizzatori, le apparecchiature dell elettronica di potenza e i trasformatori a nucleo saturo. Se l aumento di tensione, nei periodi di basso carico, viene esaltato dai condensatori, la saturazione dei nuclei dei trasformatori può essere considerevole. In questo caso vengono prodotte armoniche di ampiezza anomala, una delle quali può essere amplificata per effetto della risonanza tra il trasformatore e i condensatore. Questa è un ulteriore ragione per raccomandare la disinserzione dei condensatori nei momenti di basso carico. Può essere necessario prendere una dei seguenti provvedimenti: a) lo spostamento di alcuni o di tutti i condensatori in altri punti dell impianto; b) il collegamento di un reattore in serie col condensatore, per ridurre la frequenza di risonanza del circuito ad un valore inferiore a quello della frequenza dell armonica perturbatrice; c) l aumento del valore di capacità quando il condensatore viene collegato vicino a semiconduttori di potenza. 8

9 Quando i condensatori vengono inseriti nella rete si possono verificare sovracorrenti transitorie di elevata ampiezza e frequenza. Tali transitori devono, in particolare, essere previsti quando una sezione di una batteria di condensatori viene inserita in parallelo ad altre sezioni già energizzate. Può rendersi necessario ridurre queste sovracorrenti transitorie a valori accettabili per il condensatore e per l impianto inserendo i condensatori attraverso un resistore (resistenza di inserzione) o introducendo reattori nel circuito di alimentazione di ciascuna sezione della batteria. Sovratensioni atmosferiche I condensatori possono essere soggetti a elevate sovratensioni atmosferiche se destinati ad installazioni esposte. La Norma prevede una prova ad impulsi con un onda da 1,2/50 μs a 5/50 μs, avente un valore di cresta di 15 kv se la tensione nominale del condensatore è U N 660 V, o di 25 kv se U N > 660 V. Dispositivi di manovra e di protezione e collegamenti I dispositivi di manovra e di protezione e i collegamenti devono essere in grado di sopportare le sollecitazioni elettrodinamiche e termiche causate dalle sovracorrenti transitorie di elevata ampiezza e frequenza che possono verificarsi al momento dell inserzione. La Norma raccomanda pertanto di proteggere i condensatori dalle sovracorrenti mediante adeguati relè di sovracorrente tarati per comandare gli interruttori quando la corrente supera i limiti ammissibili. I fusibili non forniscono generalmente un adeguata protezione contro le sovracorrenti. Ogni cattivo contatto nei circuiti del condensatore può dare origine ad archi, provocando oscillazioni ad alta frequenza che possono surriscaldare e sollecitare eccessivamente i condensatori (ved. fig. 7). Si raccomanda pertanto una regolare ispezione di tutti i contatti dell impianto dei condensatori. Dispositivi di scarica interno Ciascuna unità capacitiva e/o batteria deve essere dotata di dispositivi che permettono la scarica di ciascuna unità ad una tensione uguale o minore di 75 V in 3 min a partire da una tensione iniziale di picco pari a 2 volte la tensione nominale U N. Non devono esserci interruttori, fusibili o altri dispositivi di sezionamento tra l unità capacitiva ed il dispositivo di scarica. Un dispositivo di scarica non è sostitutivo della messa in cortocircuito e a terra dei terminali dei condensatori prima della manipolazione. Problemi con il rifasamento Sebbene il rifasamento può portare notevoli benefici, in alcuni casi comporta la necessità di dover risolvere problemi di non lieve entità. Abbiamo già visto che il loro semplice inserimento comporta comunque un aumento permanente della tensione di rete e l influenza della stessa e della temperatura sulla vita dei condensatori. I principali problemi derivano comunque dalle manovre di inserzione e di disinserzione della batteria di condensatori, per adattare il rifasamento alle condizioni reali di carico, e dalla presenza di carichi non lineari. 9

10 Sovratensioni e sovracorrenti transitorie di manovra Dato che la corrente in un condensatore è sfasata in anticipo di 90 rispetto alla tensione, se l inserzione della batteria di condensatori avviene nell istante che la forma d onda della tensione passa per lo zero, dovremmo avere istantaneamente il massimo valore di corrente. Ma ciò è fisicamente impossibile. Avremo pertanto un cambiamento veloce della corrente (ma non istantaneo), che va oltre il valore massimo (funzione della resistenza del sistema a cui il condensatore è collegato e alla corrente di corto circuito in quel punto), mentre la tensione tende a diminuire. Quando invece la batteria di condensatori viene disinserita e l apertura avviene nel momento che la corrente passa per lo zero, la batteria di condensatori rimane caricata alla tensione massima della rete (fig. 7). Ai capi dell interruttore si localizza una tensione che è data dalla somma della tensione della batteria di condensatori al momento dell apertura e di quella, istante per istante, della rete. Dopo mezzo ciclo, in questo caso, la tensione raggiungerà due volte il valore massimo. Generalmente la separazione tra i contatti non è istantanea (dovuta all inerzia rappresentata dalla massa dei contatti) ma avviene dopo alcuni periodi. In questo transitorio, la tensione ai capi dell interruttore può fare innescare un arco di corrente e, a differenza della semplice inserzione, l intensità di corrente sarà maggiore, fenomeno amplificato dal fatto che la tensione è doppia. Senza entrare troppo nel merito del fenomeno, rappresentato in fig. 7, il transitorio di corrente si presenta con forma sinusoidale smorzata, ad una frequenza molto superiore alla frequenza di rete. T ensione prima dell innesco Corrente dopo l innesco V Max Tensione di rete - 3 VMax C ontatti in apertura Tensione dopo l innesco T ensione sulla batteria di condensatori Corrente sulla batteria di condensatori Tensione di rete Fig. 7 Disinserzione della batteria di condensatori 10

11 Secondo la Norma, la manovra di una batteria di condensatori mediante un interruttore, senza riadescamento dell arco, determina normalmente una sovratensione transitoria, il cui primo picco non supera 2 2 volte la tensione applicata (valore efficace) per una durata massima di ½ periodo (la corrispondente sovracorrente transitoria di picco può raggiungere un valore uguale a 100 volte il valore I N ). Nel caso di condensatori che sono frequentemente sottoposti a manovra, i valori dell ampiezza e della durata delle sovratensioni (e delle sovracorrenti transitorie) devono essere limitati a livelli più bassi. Se durante il distacco della batteria di condensatori si hanno invece ripetuti riadescamenti dell arco, con possibili fenomeni di risonanza per la presenza di eventuali carichi fortemente induttivi, si possono creare sovratensioni così alte (5, 7 volte e oltre la tensione nominale) da danneggiare componenti della rete di distribuzione o gli stessi condensatori. Pertanto è bene utilizzare dispositivi di manovra con caratteristiche tali da impedire il riadescamento dell arco. La Norma prevede tra i terminali dei condensatori una prova di tenuta in corrente alternata con una tensione U t = 2,15 U N per una durata fino a 10 s (prova di tipo) e tra i terminali ed il contenitore una prova di tenuta, sempre in corrente alternata, con una tensione di 3 kv se U N 660 V, o di 6 kv se U N > 660 V, per una durata fino a 1 min (prova di tipo). Problemi di compatibilità (armoniche) La rete elettrica fornisce una tensione sinusoidale a 50 Hz, ma non sempre la corrente che fluisce nel carico è sinusoidale. La corrente non è sinusoidale quando la caratteristica tensione/corrente del carico non è lineare (il carico ha un impedenza variabile durante il periodo T (corrispondente a 20 ms a 50 Hz)). Esempi tipici di carichi non lineari: corrente magnetizzante di un trasformatore, apparecchi che impiegano in genere semiconduttori (ponti a diodi controllati, gruppi statici di continuità), forni ad induzione, saldatrici. La presenza di carichi non lineari implica la circolazione di componenti armoniche di corrente nella rete elettrica, cioè componenti di frequenza multipla della fondamentale. La somma della fondamentale e delle armoniche dà luogo a forme d onda distorte anche se periodiche. Come è noto, una qualunque funzione periodica si può scomporre in una serie di funzioni sinusoidali (serie di Fourier). In fig. 8 la forma d onda distorta (forma d onda verde) si può scomporre nella fondamentale (forma d onda rossa) ed in una terza armonica (forma d onda blu). La presenza di armoniche influisce su tutti i fenomeni legati all aumento della frequenza. Ad esempio, la reattanza capacitiva diminuisce e dunque aumenta la corrente nei condensatori utilizzati per il rifasamento, i quali possono danneggiarsi per sovraccarico ed il conseguente aumento di temperatura. Quando la distorsione in linea raggiunge valori elevati diventa consistente il pericolo di risonanze parallelo tra il sistema di rifasamento e la rete. Note la potenza di cortocircuito della rete e la potenza del sistema di rifasamento, la Norma indica la condizione di risonanza: 11

12 dove: S n = Q S f r = f 1 (7) Q n S Q è il numero dell armonica, cioè il rapporto tra l armonica di risonanza (f r in Hz) e la frequenza di rete (f 1 in Hz); è la potenza di cortocircuito (kva) nel punto in cui la batteria di condensatori è installata; è la potenza reattiva della batteria di condensatori (kvar). Se la frequenza così calcolata è vicina alla frequenza di una armonica presente in rete, si verifica la risonanza parallelo tra condensatori e rete alla frequenza di tale armonica. Risulta pertanto necessario adottare sistemi di rifasamento dotati di opportune reattanze di antirisonanza. Fondamentale 3 Armonica Risultante Fig. 8 Forma d onda distorta e principale armonica Il rifasamento degli impianti di sicurezza e segnalamento Dal seguente schema a blocchi del sistema di distribuzione dell alimentazione degli impianti di sicurezza e segnalamento (impianti IS) si possono individuare, ai fini del dimensionamento della batteria di condensatori per il rifasamento, alcune utili indicazioni. Il sistema di alimentazione è costituito essenzialmente da due parti: la centralina di continuità e riserva ed il quadro di trasformazione e distribuzione. La centralina ha il compito di garantire la continuità dell'alimentazione, anche in mancanza della tensione di rete. La riserva è costituita generalmente da una batteria di accumulatori e/o da un gruppo elettrogeno. 12

13 G rete di distribuzione pubblica quadro G.E. quadro F.V. ZONA A Id Id Id Rete IS altre utenze F.V. Sistema di alimentazione di continuità quadro G.E. per impianti di Sicurezza e Segnalamento by-pass quadro G.E. barra rete IS 400 V trifase + N Ramo c.a. n. 1 Ramo c.a. n. 2 Ramo c.a. n. 3 Id ZONA B Ramo c.c. utenze locali quadro utenze privilegiate Id by-pass sistema 400 V trifase + N oppure 230 V monofase barra di continuità 144 Vcc antincendio condizionamento quadro B.A. quadro di trasformazione e distribuzione ZONA C impianti controllo Id 48 Vcc 24 Vcc 150 Vca 80 Vca pannello interruttori a scatto IS logica apparato di sicurezza CABINA CAMPAGNA linea distribuzione B.A. alimentazione controllo manovra enti piazzale c.d.b. segnali RTB ATN SCC CTC, ecc. P.L. deviatoi scaldiglie 13

14 Il quadro di trasformazione e distribuzione fornisce le diverse tensioni necessarie ad alimentare i singoli circuiti di sicurezza e segnalamento (circuiti di alimentazione e manovra di segnali, di casse di manovra di deviatoio e PL, circuiti di alimentazione del controllo di enti di piazzale e linea, ecc.). Si può notare la presenza di un elevato numero di trasformatori che, oltre la richiesta funzione di distribuzione dell energia ai vari enti, sono inseriti nei circuiti anche per separare le varie parti dell impianto ai fini della sicurezza e della regolarità dell esercizio ferroviario. Non ultima, quella di realizzare una separazione elettrica sia dalla rete pubblica che dal piazzale o linea per la protezione contro le sovratensioni. Sono stati pertanto rilevati valori molto bassi del fattore di potenza (anche minore di 0,6). Eppure, nessuno si è mai sognato di rifasare un impianto IS! Per la quasi totalità dei circuiti IS, i principi di sicurezza circuitale (circuito chiuso neutro, ecc) impongono dimensionamenti che sopravanzano di gran lunga quelli richiesti dalla normativa CEI. In un circuito di relazione, ad esempio, ad una sezione del cavo minima di 1 mm 2 corrisponde una corrente d impiego di poche decine di ma, parecchie centinaia di volte minore della portata massima in regime permanente prevista dalle norme CEI. Viene meno quindi uno dei principali motivi del rifasamento: la perdita di energia per effetto joule sulla resistenza dei cavi. Inoltre, gli impianti IS vedono solo in emergenza la rete pubblica, essendo alimentati con continuità tramite il ramo raddrizzatore/inverter: viene meno il fattore penalità da parte dell ente di distribuzione dell energia elettrica. Quando si parla di rifasamento degli impianti di sicurezza e segnalamento si ha in mente il rifasamento delle centraline di continuità (ed, in particolare, del raddrizzatore). I nuovi sistemi di alimentazione (comunemente denominati SIAP) sono già rifusati nel pieno rispetto della Norma CEI sopra richiamata e dei vincoli contrattuali dell ente di distribuzione dell energia elettrica. Per ottimizzare il fattore di potenza in ingresso del raddrizzatore/carica batterie si è dovuto considerare: 1. la fluttuazione di rete: previsto il funzionamento con ± 15 % la tensione nominale; 2. la notevole variazione del carico, rappresentato essenzialmente dagli impianti IS alimentati tramite l inverter, e dalla carica di una batteria di accumulatori per assicurare la prevista autonomia di 30 min. Nella fase di funzionamento in tampone del carica batteria, abbiamo il minor assorbimento, che può essere anche inferiore al 50% della potenza nominale del raddrizzatore. Senza rifasamento, dal grafico di fig. 9 si può rilevare che mentre la potenza attiva erogata è sostanzialmente costante (a parte le perdite che aumentano leggermente all aumentare della tensione), la potenza apparente segue linearmente gli incrementi della tensione di rete, per l aumento della potenza reattiva richiesta dal raddrizzatore, con conseguente diminuzione del fattore di potenza (ved. grafico di fig.10). Ciò è dovuto al fatto che il ponte raddrizzatore, per mantenere costante la corrente erogata deve parzializzare la propria tensione (utilizza solo una parte sempre più piccola della sinusoide). 14

15 Potenza Apparente e Attiva in ingresso del RADDRIZZATORE kva - kw Tensione rete (V eff ) Fig. 9 Potenza apparente e attiva in ingresso del raddrizzatore al variare della tensione di rete Fattore di potenza in ingresso del RADDRIZZATORE Fattore di potenza 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0, Tensione di rete (V eff ) Fig. 10 Fattore di potenza al variare della tensione di rete (a potenza attiva erogata costante). 15

16 Il grafico di fig. 11 evidenzia invece l influenza del carico sul fattore di potenza e l importanza di un utilizzo razionale del sistema di alimentazione (senza inutili surdimensionamenti!). Le vecchie configurazione del sistema di alimentazione degli impianti di sicurezza e segnalamento (abbastanza diffuse in esercizio) che prevedono centraline di piccola potenza (fino a 9 kva), hanno un raddrizzatore per la carica di una batteria che deve assicurare un autonomia di 6 8 ore. Praticamente, lavorano con il 10 % del carico nominale del raddrizzatore. Conclusioni Il rifasamento in genere degli impianti offre parecchi vantaggi e, in alcuni casi, è anche obbligatorio, ma comporta dei costi e degli obblighi che derivano dalle prescrizioni di sicurezza per l installazione e l esercizio dei condensatori. Per gli impianti di sicurezza e segnalamento il rifasamento è da attuare sul sistema di alimentazione. I nuovi sistemi di alimentazione (comunemente denominati SIAP) sono già rifasati, nel pieno rispetto della Norma CEI sopra richiamata e dei vincoli contrattuali dell ente di distribuzione dell energia elettrica. Fattore di potenza in ingresso del RADDRIZZATORE carico 10% 30% 50% 70% 100% 1 0,9 0,8 Fattore di potenza 0,7 0,6 0,5 0,4 0, Tensione di rete (Veff) Fig. 11 Fattore di potenza al variare della tensione di rete, nelle diverse condizioni di carico (%). 16

17 Per quelli esistenti, bisogna tener presente che il fattore di potenza è soprattutto legato all autonomia nominale richiesta (30 min o 6 8), e andrebbe comunque valutata la sua incidenza sul complesso dell utenza vista dalla rete. Quello che interessa all ente di distribuzione dell energia è il fattore di potenza medio mensile dell utenza complessiva. Per il rifasamento delle centraline in esercizio bisogna tener presente che esse possono essere sorgenti di distorsioni armoniche, con i problemi di dimensionamenti (e di risonanza) sopra richiamati. Le Norme CEI sulla compatibilità elettromagnetica stabiliscono limiti per le emissioni di corrente armoniche, al momento, solo per apparecchiature con corrente d ingresso 16 A per fase (Norma CEI EN ). Roma, 8 marzo 2009 [1] Delibera Autorità per l Energia Elettrica ed il Gas 228/01 [2] Norma CEI EN Condensatori statici di rifasamento di tipo autorigenerabile per impianti di energia a corrente alternata con tensione nominale inferiore o uguale a 1000 V Parte 1: Generalità Prestazioni e valori nominali Prescrizioni di sicurezza Guida per l installazione e l esercizio. 17

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