Cause ed effetti delle sovratensioni di origine interna

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1 Trento, 30 novembre 2012 Seminario CRITERI PER IL COORDINAMENTO DEGLI ISOLAMENTI NELLE RETI MT DI DISTRIBUZIONE Cause ed effetti delle sovratensioni di origine interna Università degli Studi di Trento Polo Tecnologico per l Energia srl

2 Introduzione Le sovratensioni si possono suddividere in due categorie fondamentali: 1 di origine esterna (o atmosferica) 2 di origine interna, che a loro volta si possono distinguere tra: 2a - sovratensioni di manovra 2b - sovratensioni sostenute

3 1 - Sovratensioni di origine esterna Le sovratensioni di origine esterna o atmosferica sono caratterizzate da andamento impulsivo di durata molto breve (decine o centinaia di microsecondi) e presentano dei livelli energetici e di tensione non correlati ai valori nominali del sistema elettrico colpito Fulminazione diretta Fulminazione indiretta (sovratensioni indotte in linea)

4 1 - Sovratensioni di origine esterna La fulminazione diretta su un conduttore di linea origina due onde di tensione che si propagano in versi opposti L installazione di una fune di guardia realizza una efficace schermatura contro la fulminazione diretta dei conduttori di fase all interno di una zona compresa entro un angolo α di (30 40)

5 1 - Sovratensioni di origine esterna Le sovratensioni atmosferiche vengono simulate con tensioni impulsive doppio-esponenziali: v(t) = V ( α t β t ) e 0 e V V c (valore di cresta) La forma d onda viene caratterizzata dal rapporto t f / t c (ad es onda 1,2/50 µs) V c / 2 t t f t c (tempo di fronte) (tempo di coda)

6 2 - Sovratensioni di origine interna Le sovratensioni interne hanno un minore contenuto energetico, rispetto alla sovratensione atmosferiche (esterne), ma si manifestano molto più frequentemente Le sovratensioni di manovra sono caratterizzate da un andamento nel tempo di tipo oscillatorio smorzato con frequenze del ordine delle centinaia o delle migliaia di Hertz (inserzione e disinserzione di linee a vuoto, disinserzione di trasformatori a vuoto, interruzione di corti circuiti, ecc) Le sovratensioni sostenute si verificano alla frequenza di 50 Hz o a frequenze armoniche a causa di configurazioni anomale di rete od a seguito di guasti (brusco distacco di carico, effetto Ferranti, autoeccitazione delle macchine sincrone, guasto a terra, ecc)

7 2a - Sovratensioni di manovra Nei sistemi di potenza, le commutazioni di interruttori, trasformatori, motori e in generale di carichi induttivi o l improvvisa modifica del carico provocano repentine variazioni (di/dt) di corrente e generano sovratensioni transitorie definite come sovratensioni di manovra che sono caratterizzate da un andamento nel tempo di tipo oscillatorio smorzato con frequenze del ordine delle centinaia o delle migliaia di Hertz

8 2a - Sovratensioni di manovra Le sovratensioni di manovra assumono particolare importanza nel dimensionamento dei sistemi di potenza Sono principalmente provocate da: inserzione e disinserzione di linee a vuoto (aeree o in cavo) chiusure e richiusure a seguito di apertura disinserzione di trasformatori a vuoto interruzione di corti circuiti I valori di picco e le forme d onda delle sovratensioni di manovra dipendono delle caratteristiche del sistema elettrico e dell elemento che provoca il transitorio

9 Esempio di sovratensione di manovra Sovratensione per inserzione di linea a vuoto L 1 L* /2 e(t) C v(t) v(t) = v p v t L 1 L* /2 L* /2 v p = k E M cos (ω t) = V M cos (ω t) e(t) C v(t) - 1/ωC k = = = (ωl - 1/ωC) 1 1 ω 2 LC 1 1 ω 2 /µ 0 2 e (t) = E M cos (ω t) v t = A sen (µ 0 t) B cos (µ 0 t)

10 Esempio di sovratensione di manovra Sovratensione per inserzione di linea a vuoto Per il termine transitorio v t = A sen (µ 0 t) B cos (µ 0 t) e(t) L 1 L* /2 C v(t) nel caso di capacità scarica e corrente iniziale nulla si ottiene: A = 0 B = - V M v t da cui: v(t) = v t v p = V M cos (ω t) - V M cos (µ 0 t) v p

11 Esempio di sovratensione di manovra Sovratensione per inserzione di linea a vuoto Se invece la chiusura dl circuito avviene quando la tensione e(t) passa per lo zero, si ottiene e(t) L 1 L* /2 C v(t) A = - V M ω/µ 0 B = 0 da cui: v(t) = v t v p = V M cos (ω t) - V M cos (µ 0 t) v t v p

12 2b - Sovratensioni sostenute La durata delle sovratensioni sostenute è limitata dall intervento automatico o manuale dei sistemi di protezione che ne eliminano le cause La loro durata può quindi variare da pochi periodi a pochi secondi Sono principalmente provocate da: guasto a terra (di una o due fasi) brusche riduzioni del carico effetto Ferranti ferrorisonanza risonanza su armoniche autoeccitazione degli alternatori

13 Esempio di sovratensione sostenuta Sovratensione a 50 Hz per guasto fase-terra Una condizione di funzionamento trifase non simmetrica si può studiare con l ausilio della teoria delle componenti simmetriche Nel caso di un guasto fase-terra, i circuiti equivalenti monofase delle sequenze diretta, inversa e zero si collegano in serie tra loro Da cui si ottiene: I guasto = I 0 I d I i = 3 E v Z d Z i Z 0 Ė v Z d Z i Z 0 İ d I i I 0

14 Esempio di sovratensione sostenuta Sovratensione a 50 Hz per guasto fase-terra e = fattore di guasto a terra e 2 = e 2 = m 0 = E 2 E v (α 2-1) m 0 (α 2 - α) m 1 1 m 0 m 1 Z 0 Z i Z d Z d m i = 1 1,4 m 0 Z 0 = impedenza alla sequenza zero Z d = impedenza subtransitoria alla sequenza diretta

15 Conclusioni Rispetto alla sovratensione atmosferiche (esterne), le sovratensioni interne hanno un minore contenuto energetico, ma si manifestano molto più frequentemente La loro breve durata, il brusco fronte di salita ed il valore di cresta (che può raggiungere diversi kv), provocano un logorio prematuro delle apparecchiature Dal punto di vista delle sovratensioni, la fulminazione diretta è comunque quella che comporta il rischio più elevato

16 Conclusioni La consapevolezza delle vere motivazioni per cui salta la corrente aiuta ad affrontare con maggiore serenità il problema