REGOLATORI DI TENSIONE

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1 REGOLATORI DI TENSIONE

2 Caduta di tensione Una caratteristica intrinseca del sistema In una rete elettrica ideale la tensione dovrebbe rimanere costante in ogni suo punto. Nella pratica, questo non accade per effetto della caduta di tensione che si manifesta a causa del fluire della corrente nelle impedenze del trasformatore, della linea aerea, del cavo, ecc. Come nasce I feeder della rete di distribuzione MT sono progettati di lunghezza breve e caricati in maniera tale che il profilo di tensione si mantenga entro limiti determinati. OLTC (1) L 1 L 2 L 3 V S V L Generatore R X L Carico Livello massimo di tensione accettabile I Livello minimo di tensione accettabile I V D = V S V L = I (R+jX L ) Figura 1: La tensione al carico (V L ) è inferiore a quella del generatore (V S ) a causa della caduta di tensione (V D ) V L IR VD 90 O IX L V S Figura 2: Feeder di distribuzione correttamente progettato (1) Trasformatore con prese di regolazione della tensione. Tuttavia, un aumento della densità dei carichi in prossimità del feeder è di solito la norma. Per ridurre al minimo i tempi e i costi per servire i nuovi carichi la lunghezza dei feeder viene di solito estesa. Accade quindi che, nella maggioranza dei casi il feeder è sede di una caduta di tensione inaccettabile come mostrato in figura 3. La caduta di tensione è un problema Poiché la rete non è in grado di offrire un livello costante di tensione, le apparecchiature moderne vengono progettate in modo da tollerare una variazione della tensione entro determinati limiti. Quando questi limiti vengono superati, le prestazioni o la vita delle apparecchiature risultano compromesse. Ad esempio: I motori a induzione Una tensione ridotta provoca la riduzione della coppia di spunto e un incremento della corrente a pieno carico e della temperatura. Una tensione elevata invece comporta l incremento della coppia, un aumento della corrente di spunto, e un basso fattore di potenza. Tutti questi fattori sono fondamentali per il rendimento e la durata dei motori. Lampade a incandescenza Un abbassamento della tensione comporta una scarsa luminosità, d altro canto un innalzamento della tensione riduce la durata della lampada. Lampade fluorescenti L abbassamento o l innalzamento di tensione provoca in ogni caso una scarsa luminosità. Aumento delle perdite di rete La caduta di tensione provoca un aumento della corrente assorbita dai motori. Questo incremento della corrente deve essere trasmesso attraverso la rete, provocando un aumento delle perdite del sistema e un incremento dei costi di distribuzione da parte del gestore. OLTC Figura 3: L aumento della densità di carico e della lunghezza del feeder comporta una caduta di tensione inaccettabile. Possibili soluzioni L 1 L 4 L 2 L 5 L 3 L 6 L 7 Livello massimo di tensione accettabile Livello minimo di tensione accettabile Diverse alternative sono state adottate dalle diverse utility in tutto il mondo per contrastare i problemi della caduta di tensione, come ad esempio: Sostituire i conduttori dei feeder esistenti con altri a sezione maggiore, al fine di ridurne l impedenza e le conseguenti perdite. Aumentare la tensione di sistema di un fattore di 2 o 3 per ridurre la corrente di linea e quindi la caduta di tensione. Costruire nuove cabine primarie e feeder. Queste soluzioni sono difficilmente attuabili visti gli alti investimenti richiesti, costi di installazione e tempi di realizzazione elevati, non giustificabili, come spesso accade, per alimentare carichi di potenza limitata e dispersi sul territorio. 2

3 I banchi di condensatori per rifasamento, installati lungo i feeder per correggere valori ridotti del fattore di potenza, migliorano anche la qualità della tensione. Il miglioramento di tensione che si ottiene è però dell entità del 2 3%, e non è sufficiente per contrastare la caduta di tensione che si manifesta. Per fornire capacità di regolazione continua aumentando o diminuendo la tensione, l unica soluzione è ricorrere ad un regolatore di tensione. Un regolatore di tensione, installato a valle del carico L 2, riceverà in ingresso un valore basso (o anche alto) di tensione e si regola automaticamente in modo da fornire in uscita un livello di tensione determinato. Il suo utilizzo mantiene il profilo di tensione lungo il feeder entro limiti accettabili per tutte le condizioni di carico. Come funziona Un regolatore di tensione monofase è rappresentato dall autotrasformatore di figura 5. Quando si fa riferimento ad un regolatore, l avvolgimento di bassa tensione è chiamato avvolgimento serie mentre quello di alta tensione "avvolgimento derivato". Invertendo la polarità dell avvolgimento serie, l autotrasformatore può aumentare o diminuire la tensione di uscita rispetto alla tensione di ingresso. L inversione di polarità avviene tramite un interruttore di inversione. Un commutatore sotto carico, collega al circuito un numero variabile di spire dell avvolgimento serie, consentendo in tal modo piccoli incrementi (gradini) di variazione di tensione. OLTC R 1 L 1 L 4 L 2 L 5 L 3 L 6 L 7 Figura 4: Il regolatore di tensione risolve il problema della caduta di tensione. Regolatore di tensione a 32 gradini Che cos è? Un regolatore di tensione è un autotrasformatore a più prese commutabili. Esso ha la capacità di monitorare continuamente la tensione in uscita e di adattarsi automaticamente alle variazioni di tensione, commutando le prese collegate alle spire in modo tale da ottenere in uscita la tensione desiderata. Figura 5: Autotrasformatore con avvolgimento serie lato generatore. Polarità 1: Autotrasformatore abbassatore di tensione Polarità 2: Autotrasformatore innalzatore di tensione La figura 6 mostra uno schema dettagliato di un regolatore monofase. La combinazione delle 8 posizioni del commutatore, del reattore a ponte e dell interruttore di inversione forniscono i 32 gradini (16 in incremento e 16 in decremento) di circa 5/8% ciascuno, per una regolazione complessiva della tensione del ± 10%. Sono disponibili sia regolatori tipo trifase che monofase. Grazie al loro costo elevato ed al design ingombrante, i regolatori trifase vengono raramente presi in considerazione. I regolatori monofase, invece, rappresentano la soluzione più diffusa. Infatti il loro basso costo e le dimensioni ridotte consentono un'installazione semplice ed economica (è possibile per alcuni size il montaggio su palo). Inoltre i regolatori monofase, opportunamente collegati, sono in grado di regolare la tensione trifase. Figura 6: Schema di un regolatore di tensione monofase a 32 gradini. 3

4 Regolazione nei sistemi trifase Un banco di tre regolatori monofase consente di regolare la tensione di un sistema trifase, a tre conduttori, collegandoli secondo la configurazione closed delta (Figura 7). Corrente nominale: deve essere uguale o superiore alla massima corrente di linea nel punto ove il regolatore deve essere installato. In tabella 1 a pag. 8 sono riportati i valori nominali dei regolatori a Hz. Esempio: nominale del sistema: 20kV Massima corrente di linea nel punto ove installare il regolatore: 90A. I valori nominali del regolatore da utilizzare saranno: nominale: 22kV ( 20kV) Corrente nominale: A (>90A) Applicazioni Centri satellite Il centro satellite è la sezione MT di una cabina primaria ubicata in altro sito, dalla quale è alimentata tramite due o più feeder MT. I centri satellite vengono realizzati in particolari situazioni locali che non consentono, almeno a breve termine, la costruzione di una cabina primaria completa. CABINA PRIMARIA MT Figura 7: Tre regolatori monofase regolano la tensione in un sistema trifase a tre conduttori La connessione closed delta permette una regolazione della tensione di ± 15%. Infatti ogni regolatore monofase regola di ± 10% la tensione della fase ove è collegato e contribuisce alla regolazione di un ± 5% delle tensione nella fase adiacente. La regolazione della tensione è ottimale su tutte e tre le fasi, anche in presenza di carico sbilanciato. Con questa configurazione si introduce uno sfasamento tra le tensioni in ingresso e quelle di uscita, pari ad un massimo di 5 che si verifica in corrispondenza del livello di regolazione massimo. Gli organi di controllo dei tre regolatori vengono collegati con loop a fibra ottica, in modo che le commutazioni siano sincronizzate su tutte e tre le fasi. Come scegliere il regolatore Per selezionare un regolatore di tensione sono necessari due parametri : la tensione nominale e la corrente nominale. Lunghezza linea >10km Sbarre MT Cabina Primaria CENTRO SATELLITE Sbarre Centro Satellite Autoproduzione (eolico, fotovoltaico, idroelettrico) Figura 8: Utilizzo di regolatori di tensione in un centro satellite La necessità di ricorrere all ausilio di regolatori di tensione sui feeder che alimentano il centro satellite, oltre a compensare l eventuale caduta di tensione di cui sono sede, è quella di contrastare il possibile aumento di tensione locale provocato da impianti di autoproduzione (generatori eolici, fotovoltaici o idroelettrici) afferenti al centro satellite. nominale: deve essere uguale o superiore alla tensione nominale del sistema. 4

5 Interconnessioni tra cabine primarie Un altra possibile applicazione dei regolatori di tensione è quella di contrastare la caduta di tensione sui feeder particolarmente lunghi che interconnettono due cabine primarie tra loro. Feeder esistente con problemi di caduta di tensione E una delle applicazioni più comuni dei regolatori di tensione. Essi vengono installati lungo il feeder prima del punto in cui il problema della caduta di tensione inizia ad essere critico. R 1 R 2 OLTC Cabina Primaria A Cabina Primaria B L 1 L 4 L 2 L 5 L 3 L 6 L 7 Punto normalmente aperto Figura 9: Regolatore di tensione su interconnessione tra cabine primarie In particolare questa soluzione è utile laddove cabine primarie che dispongono di un solo trasformatore di potenza (no ridondanza) sono interconnesse tra loro. Nell ipotesi di guasto al trasformatore, la barra di MT viene alimentata dall altra cabina primaria, tramite la chiusura dell interruttore di collegamento tra le barre, normalmente aperto. Per tutto il tempo necessario alla riparazione o sostituzione del trasformatore guasto, il feeder di connessione risulta una linea particolarmente lunga, sede di una elevata caduta di tensione, che può essere compensata da un banco di regolatori di tensione. Figura 11: I banchi di regolatori R 1 ed R 2 correggono il profilo della tensione lungo il feeder. In questo modo è teoricamente possibile estendere la lunghezza della linea MT, anche se soggetta a carichi elevati, senza necessariamente impiantare una nuova cabina primaria, almeno nel breve periodo. Nella figura che segue è riportato lo schema di due banchi di regolatori in configurazione closed delta posti in serie sullo stesso feeder. Carico in posizione remota I carichi isolati posti a grande distanza dalla rete principale rappresentano un altro problema. In questi casi potrebbe non essere economicamente giustificata l immediata costruzione di un altra cabina primaria dedicata a quel solo carico. Una soluzione rapida ed a costi contenuti, a questa problematica è quella di estendere un feeder esistente fino a raggiungere il carico ed installando un banco di regolatori di tensione in modo da compensare la caduta di tensione sull estensione. Figura 12: Banchi di regolatori in configurazione closed delta disposti in serie OLTC R c L 1 L 2 L 3 Una regola empirica suggerisce di disporre due banchi in serie al 20% ed al % della lunghezza del feeder dalla cabina primaria, qualora i carichi siano distribuiti uniformemente. Figura 10: Il banco di regolatori di tensione R C consente di estendere il feeder per servire il carico L 3. 5

6 1 Scaricatore di bypass: uno scaricatore ad ossido metallico protegge l avvolgimento serie dalle sovratensioni. 2 Isolatori passanti: una ulteriore protezione è data dai tre isolatori passanti in porcellana ad alta linea di fuga Terminazioni con perno filettato: comportano una ridotta resistenza di contatto con i morsetti di connessione. 4 Valvola di sicurezza: tutti i regolatori sono muniti di valvola di sicurezza atta ad evitare sovrappressioni interne. Essa entra in funzione, non appena la pressione interna raggiunge i 35 kpa (5 psig) Indicatore di posizione: visualizza, mediante lancette, la posizione attuale del commutatore di regolazione, e le posizioni minima e massima raggiunte nel tempo Targhe: ogni regolatore ha due targhe, una disposta sulla cassa e l altra sul contenitore del pannello di controllo. 7 Staffe per montaggio su palo: i regolatori più leggeri sono predisposti al montaggio su palo tramite opportune staffe. 8 Dispositivo di scarico dell olio: ogni regolatore è munito di un rubinetto in ottone per lo scarico dell olio con dispositivo di campionatura. 9 Indicatore del livello dell olio: il regolatore è provvisto di un indicatore a galleggiante che permette di controllare sia il livello del liquido isolante che il suo colore

7 10 Cassa ermetica: il contenitore è di tipo ermetico, al fine di prevenire l ossidazione dell olio isolante provocato dal contatto con l aria. L utilizzo di una cassa ermetica insieme all uso di carta isolante ad alta resistenza termica, consente al regolatore di raggiungere sovratemperature di C. 11 Golfari superiori: è possibile sollevare la sola parte interna del regolatore mediante queste golfari. 12 Raccordo per rabbocco: è possibile aggiungere liquido isolante mediante connessione di una filtro pressa a questo raccordo. 13 Supporti per scaricatori: gli scaricatori tra linea e terra possono essere alloggiati tramite questi supporti, posti in prossimità degli isolatori passanti. 14 Golfari laterali: queste golfari, consentono di sollevare l intera apparecchiatura. Esse sono provviste di occhielli per il bloccaggio del regolatore durante il trasporto. Figura 13: Regolatori installati in configurazione closed delta presso il Centro Satellite ENEL di Santa Maria Maggiore (Verbania Italia). 15 Attacchi per messa a terra: due attacchi per la messa a terra sono predisposti sulla cassa, mentre un terzo è presente sul contenitore del pannello di controllo. 16 Dispositivo di appoggio: il regolatore è dotato di una base rettangolare che ne consente l appoggio su piedistallo oppure su sostegno a mensola, predisposta al serraggio tramite bulloni. 17 Contenitore del pannello di controllo: il pannello di controllo è alloggiato in un contenitore a tenuta ermetica e richiudibile. Se richiesto, è possibile spostarlo anche lontano dal regolatore, collegandolo ad esso mediante un cavo accessorio più lungo. 18 Box di giunzione: in questo contenitore si ha la connessione tra il cavo di collegamento del pannello di controllo con l indicatore di posizione e con i trasformatori di misura del controllo. Sempre in questo box è presente un TA a stato solido. Figura 14: Regolatori installati su palo in configurazione closed delta (Scozia). 19 Raccordo del cavo: un raccordo di tipo resistente alle intemperie, permette la rapida disconnessione del cavo. 20 Pannello di controllo: Il pannello di controllo non solo gestisce la regolazione della tensione, ma ne consente la programmazione. Inoltre è capace di acquisire i dati e ne consente la condivisione in tempo reale. Per tale motivo è predisposto al sistema SCADA ed è dotato di interfacce per l output in fibra ottica, RS 232 o RS 485. In caso di guasto, il pannello di controllo, può essere sostituito anche con il regolatore in funzione. Figura 15: Regolatori installati in cabina primaria in configurazione closed delta (USA). 7

8 nominale del regolatore (V) BIL (kv) Potenza nominale del regolatore (kva) Corrente nominale (A) Tabella 1: valori nominali dei regolatori di tensione a Hz Cooper Power Systems 2 Badger Drive Waukesha, WI U.S.A. Rappresentante per l Italia: Ambra Energy Systems S.r.l. Via dei Castelli Romani, Pomezia (Roma) Tel.: Fax: e mail: ambra@ambraenergy.it 8